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Dipartimento di Farmacia – Scienze del FarmacoScienze e tecnologie erboristiche e dei
prodotti per la salute (STEPS)Chimica Organica - A.A. 2017-2018
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5. Sostanze Naturali
Clorofilla b
Prof. Giuseppe Gerardo Carbonara
Dipartimento di Farmacia – Scienze del FarmacoSTEPS - Chimica Organica
A.A. 2017-2018
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5.0 Sostanze Naturali
1. Alcaloidi p. 3
2. Carboidrati p. 23
3. Lipidi p. 55
4. Terpeni p. 68
5. Amminoacidi e Proteine p. 78
6. Basi azotate e Acidi nucleici p. 112
La Chimica Organica ha avuto la sua origine nello studio delle sostanze naturali e queste rimangono una fonte
costante di informazioni e di conoscenza, nonché di materie prime.
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Dipartimento di Farmacia – Scienze del FarmacoSTEPS - Chimica Organica
A.A. 2017-2018
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5.1 Alcaloidi
5.0 Sostanze Naturali
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N
H
H HNH2
NH2
ammoniaca alchil ammina
R-NH2
aril ammina
Ar-NH2
NH2
butan-1-ammina
ammina 1ria
NH2
2-metilpropan-2-ammina
ammina 1ria
NH
N-metiletanammina
ammina 2ria
N
N-etil-N-(propan-2-il)propan-2-ammina (base di Hünig)
ammina 3ria
N+ Br
-
N,N,N-trimetilmetanammonio bromuro
sale ammonico 4rio
5.1 Alcaloidi■ Ammine: nomenclatura e struttura (tradotto da www2.chemistry.msu.edu/faculty/reusch/VirtTxtJml/amine1.htm)
− Le ammine sono derivati dell'ammoniaca in cui uno o più atomi di idrogeno sono sostituiti da un gruppo alchilico o arilico, pertanto si distinguono
in ammine alifatiche e aromatiche.
− La nomenclatura delle ammine è complicata dal fatto che esistono diversi sistemi di nomenclatura, anche se quella di riferimento è lanomenclatura IUPAC.
− Le ammine si distinguono in primarie (1rie), secondarie (2rie) e terziarie (3rie) in base al numero di sostituenti alchilici (o arilici) legati all’atomo diazoto.
− Il legame all’azoto di un quarto gruppo alchilico o arilico rende l’azoto carico positivamente formando un catione ammonico 4rio.
− L’atomo di azoto può essere inserito in una struttura ciclica (eterociclica) alifatica o aromatica.
NH2
anilina
NH2
cicloesanammina
N
piridina
NH
piperidina
NH
pirrolo
NH
pirrolidina
N
N
pirimidina
NH
N
imidazolo
NH
indolo
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5.1 Alcaloidi■ Gli alcaloidi sono un gruppo di composti chimici naturali, che
contengono atomi di azoto inseriti in porzioni di struttura cicliche,
con proprietà basiche. Questo gruppo comprende anche alcuni
composti con proprietà neutre e/o debolmente acide. Tra gli alcaloidi
sono inclusi anche alcuni composti sintetici di struttura simile.
− Oltre a carbonio, idrogeno e azoto, gli alcaloidi possono contenere
ossigeno, zolfo e, più raramente, altri elementi come cloro, bromo e
fosforo.
− Gli alcaloidi sono prodotti da una grande varietà di organismi,
inclusi batteri, funghi, piante e animali e fanno parte del gruppo dei
prodotti naturali (chiamati anche metaboliti secondari).
− Molti alcaloidi possono essere purificati da estratti grezzi per
estrazione acido-base, e sono tossici per altri organismi. Spesso
hanno effetti farmacologici e sono utilizzati come farmaci, come
droghe di ricreazione o in rituali etnici.
− Alcuni esempi (schema 1) sono: l'anestetico locale e stimolante
cocaina; la droga psichedelica psilocina; gli stimolanti caffeina e
nicotina; l’analgesico narcotico morfina; il farmaco antiasmatico
efedrina.
− Nello schema 2 sono riportati esempi di strutture più complesse
quali: l’antibatterico berberina; il composto antitumorale vincristina;
l’agente antiipertensivo reserpina; il colinomimetico galantamina;
l’agente spasmolitico atropina; il vasodilatatore vincamina; il
composto antiaritmico chinidina; il farmaco antimalarico chinina.
− Sebbene gli alcaloidi agiscano su una molteplicità di sistemi
metabolici umani e animali, quasi tutti hanno un sapore amaro.
− Il confine tra alcaloidi e altri composti naturali contenenti azoto non è
netto. Composti come aminoacidi, peptidi, proteine, nucleotidi, acidi
nucleici, ammine e gli antibiotici non sono di solito considerati
alcaloidi. Composti naturali contenenti azoto in posizione esociclica
(mescalina, serotonina, dopamina, ecc.) sono solitamente
compresi tra le ammine piuttosto che tra gli alcaloidi. Alcuni autori,
tuttavia, considerano gli alcaloidi un caso speciale delle ammine.
N
N
N
N
O
O
Caffeinastimolante SNC
Coffea sp.
N
O
O
O
O
Cocainaanestetico locale; stimolante
Erythroxylum coca
NH
N
OH
Psilocinadroga psichedelica
Psilocybe sp.
O
N
OH
OH
HN
N
Nicotinastimolante SNC;
insetticidaNicotiana tabacum
Morfinaanalgesico narcoticoPapaver somniferum
NH
OH
CH3
CH3
Efedrinabroncodilatatore;
antiasmaticoEphedra sp.
Schema 1
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5.1 Alcaloidi
Berberina cloruroantibattericoBerberis sp.
N
NHO
O
NH
N
OH
O
O
CH3
OH
H
OO
Vincristinaantitumorale
Catharanthus roseus
N+
OH
O
O Cl-
NHNH
O OO
OO
OH OO
H
HH
Reserpinaantiipertensivo;
antipsicoticoRauwolfia serpentina
O
N
O
OH
Galantaminainibitore della colinesterasi
Galanthus caucasicus
O
O
OH
N
Atropinaanticolinergico; midriatico
Atropa belladonna
NN
OH
O
O
H
Vincaminavasodilatatore
Vinca minor; Vinca sp.
N
O
N
OH
H
Chinidinaantiaritmico
Chincona sp.
N
N
O
OH
H
ChininaantimalaricoChincona sp.
■ Esempi di alcaloidi
Schema 2
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5.1 Alcaloidi■ Nelle seguenti formule strutturali di alcaloidi e di altri prodotti naturali contenenti azoto è possibile riconoscere molte caratteristiche strutturali di base.
La tiamina e la serotonina sono ammine 1rie, la coniina è un’ammina 2ria, l’atropina, la chinina, la morfina, la nicotina e la caffeina sono ammine 3rie e
la muscarina è un sale ammonico 4rio.
− In queste strutture è possibile riconoscere, inoltre, le porzioni cicliche azotate dell’imidazolo, dell’indolo, della piperidina, della piridina, della
pirimidina e della pirrolidina e le porzioni bicicliche del tropano e della chinuclidina. Inoltre, si evidenziano due porzioni cicliche furaniche.
N
N
N
N
O
O
Caffeinastimolante SNC
Coffea sp.
NH
NH2
OH
Serotoninaneurotrasmettitore
O
N
OH
OH
H N
N
Nicotinastimolante SNC; insetticida
Nicotiana tabacum
Morfinaanalgesico narcoticoPapaver somniferum
O
O
OH
N
Atropinaanticolinergico; midriatico
Atropa belladonna
Muscarinail veleno dell'Amanita muscaria
N
N
O
OH
H
Chininaantimalarico
Cinchona sp.
Coniinail veleno della cicutaConium maculatum
Tiaminavitamina B1
N+
SN NH2
N
OH
Cl-
NH
H
O
N+
OH
Cl-
1ria
2ria
3ria
3ria
3ria3ria
4rio3ria
3ria
3ria
1ria
3ria
3ria
3ria
3ria
3ria
4rio
3ria
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5.1 Alcaloidi■ Gli atomi di azoto che fanno parte di anelli aromatici, come la piridina, il pirrolo e l’imidazolo, hanno configurazioni planari (ibridazione sp2) e non
sono centri stereogenici.
N
N
base di Troegerstabile e risolta in (+) e (-)
N
2-metil-1,2,3,4-tetraidroisochinolinanon risolta
■ Per poter isolare le ammine chirali all’azoto sono necessarie alcune caratteristiche
strutturali, quali il blocco o la ridotta velocità di inversione piamidale.
− Negli schemi seguenti sono riportati due esempi di tali ammine 3rie, confrontate con
gli analoghi simili non risolvibili.
− I due atomi di azoto della base di Troeger sono i soli centri stereogenici della
molecola. A causa della struttura a ponte della molecola, gli atomi di azoto hanno
la stessa configurazione e non possono subire inversione.
− La separazione di enantiomeri della base di Tröger fu fatta per la prima volta da
Vladimir Prelog nel 1944 che usò la cromatografia in colonna con una chirale
fase stazionaria. Il metodo, all’epoca relativamente nuovo, dopo quella
dimostrazione è diventato una procedura standard di separazione di enantiomeri di
successo.
■ Anche gli atomi di azoto legati a gruppi carbonilici, come nella caffeina, sono
planari (sp2).
− In atropina, coniina, morfina, nicotina e chinina sono presenti atomi di azoto
piramidali stereogenici (il doppietto elettronico di non legame può essere
considerato come un quarto sostituente di un azoto ibridato sp3).
− Nella chinina questo azoto è limitato a una sola configurazione dal sistema ciclico a
ponte.
− Gli altri atomi di azoto stereogenici sono liberi di assumere due configurazioni
piramidali (inversione piamidale all’azoto), ma queste sono in rapido equilibrio e i
distinti stereoisomeri non possono essere facilmente isolati.
R1
N
R3
R2
R1
N
R3
R2
inversione piamidale all’azoto
N
N
(-) base di Troeger (+)
N
N
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5.1 Alcaloidi■ La 1-cloro-2,2-difenilaziridina può subire inversione all’azoto, ma è necessario
superare una barriera enegetica più alta, rispetto alle ammine eterocicliche più grandi.
Infatti, è stata risolta nei singoli enantiomeri puri.
− La stabilità relativa dei singoli enantiomeri è dovuta all’aumento della tensione
angolare dell’anello aziridinico nello stato di transizione planare intermedio del
processo di inversione, in cui l’azoto è ibridato sp2 rispetto alla configurazione
tetraedrica piramidale.
− La determinazione approssimata della tensione angolare viene fattaconsiderando un valore arbitrario di 60° dei legami C-N-C nell’eterociclo a tre
termini. Mentre per l’azoto tetraedrico la differenza angolare è di circa 47° (Nsp3
107° – 60° = 47°), per l’azoto planare la differenza è di 60° (Nsp2 120° – 60° = 60°).
■ I sali ammonici quaternari, come nella muscarina, hanno una configurazione
tetraedrica e non subiscono inversione. Se però i quattro sostituenti fossero diversi,
diventerebbe un centro stereogenico stabile.
1-cloro-2,2-difenilaziridinastabile a 0 °C
1-cloro-2,2-difenilpirrolidinanon risolta
NCl
N
Cl
tensione angolare
piramidale (N sp3): circa 47°
N
Cl
N Cl N
Cl
tensione angolare
planare (N sp2): circa 60°
R1
N+
R3
R2R4
R1
N+
R3R2 R4
sali ammonici quaternari eantiomeriimmagini speculari
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5.1 Alcaloidi■ Proprietà delle ammine
− Punto di ebollizione e solubilità in acqua
− Il fattore principale da considerare è il legame idrogeno.
− La tabella 1 riporta i p.e. di alcani, ammine e alcoli. I p.e. molto più alti degli alcoli sono dovuti alle maggiori forze di interazione intermolecolari che
derivano dalla formazione di legami idrogeno O-H----O; nelle corrispondenti ammine il legame idrogeno più debole N-H----N spiega i punti di
ebollizione più bassi, mentre per gli alcani presenti i p.e. sono bassissimi (sono gas a t.a.) poiché i legami idrogeno non possono essere formati.
L'aumento della temperatura di ebollizione per le ammine rispetto agli alcani è circa la metà dell'aumento osservato per gli alcoli corrispondenti.
− La tabella 2 illustra le differenze tra ammine isomere 1rie, 2rie e 3rie e l’influenza della ramificazione della catena. Passando dalle ammine 1rie a quelle
3rie la minore possibilità di formare legami H fa abbassare i p.e.. Le ammine 3rie mostrano p.e. simili a quelli degli eteri delle stesse dimensioni. Gli
esempi riportati mostrano che la ramificazione della catena fa abbassare i p.e. da 10 a 15 ºC.
− La solubilità in acqua delle ammine 1rie e 2rie è simile a quella degli alcoli corrispondenti, mentre la solubilità delle ammine 3rie è simile a
quella degli eteri. Questi confronti sono validi solo per composti puri in acqua neutra. La basicità delle ammine permette loro di essere sciolte in
soluzioni diluite di acidi minerali e questa proprietà facilita la loro separazione da composti neutri come alcoli ed idrocarburi per ripartizione tra le
fasi di solventi non miscibili.
Composto CH3CH3 CH3OH CH3NH2 CH3CH2CH3 CH3CH2OH CH3CH2NH2
P.M. 30 32 31 44 46 45
p.e. ºC -88.6º 65º -6.0º -42º 78.5º 16.6º
Composto CH3(CH2)2CH3 CH3(CH2)2OH CH3(CH2)2NH2 CH3CH2NHCH3 (CH3)3CH (CH3)2CHOH (CH3)2CHNH2 (CH3)3N
P.M. 58 60 59 59 58 60 59 59
p.e. ºC -0.5º 97º 48º 37º -12º 82º 34º 3º
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5.1 Alcaloidi■ Proprietà delle ammine
− Basicità
− Le ammine sono basi di Brønsted e di Lewis e la loro forza basica varia notevolmente in base ai sostituenti. Per confrontare qualitativamente la loro
basicità è preferibile utilizzare i pKa dei relativi acidi coniugati invece delle loro pKb. Poichè pKa + pKb = 14, più alto pKa è il più la base è forte, al
contario della relazione inversa del pKa con l’acidità.
− I pKa di molte semplici alchil ammine sono compresi nell’intervallo tra 9.5 e 11.0 e le loro soluzioni acquose sono basiche (in base alla
concentrazione, hanno un pH da 11 a 12). I primi quattro composti della tabella cadono in questo gruppo.
− Gli altri cinque composti (celle colorate) sono basi significativamente più deboli di tre ordini di grandezza, per motivi diversi. Il primo riguarda
l’ibridazione dell’azoto. Nella piridina l’azoto è ibridizzato sp2 e nell’acetonitrile l’azoto del triplo legame è ibridizzato sp. In entrambi i casi il doppietto
di non legame è localizzato sull’atomo di azoto e, a seguito del maggiore carattere s, è situato più vicino al nucleo dell’azoto, riducendone la tendenza
a legare un protone.
− L’anilina and p-nitroanilina sono basi più deboli a causa della delocalizzazione del doppietto dell’azoto sull’anello aromatico e sul nitro gruppo.
Infatti, l’anilina è una base più debole della cicloesanammina ci circa un millione di volte (lo stesso fattore per cui il fenolo è un acido più forte del
cicloesanolo).
− La delocalizzazione del doppietto dell’azoto sul gruppo carbonilico è anche la causa della basicità molto bassa delle ammidi e della debole
reattività nucleofilica dell’azoto ammidico. Questa caratteristica è utilizzata per moderare l’effetto attivante dei sostituenti amminici nelle sostituzioni
elettrofiliche aromatiche.
− La bassissima basicità del pirrolo riflette la delocalizzazione eccezionale del doppietto dell’azoto che partecipa all’aromaticità dell’anello. L’indolo (pKa
= -2) e l’imidazolo (pKa = 7.0) hanno lo stesso carattere di eterocicli aromatici. L’imidazolo è un milione di volte più basico del pirrolo a causa
dell’azoto ibridizzato sp2 che partecipa alla formazione di un doppio legame in modo strutturalmente simile alla piridina, con la quale ha una basicità
comparbile.
Composto NH3 CH3C≡N
pKa 11.0 10.7 10.7 9.3 5.2 4.6 1.0 0.0 -1.0 -10.0
NH NH2 NH2 N NH2 NH2O2N NH
O
NH2R
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5.1 Alcaloidi■ Proprietà delle ammine
− Acidità
− Le ammine 1rie e 2rie possono anche comportarsi da acidi molto deboli (l’ammoniaca ha un pKa = 34). In questo caso il pKa è usato come una
misura dell'acidità dell’ammina stessa e non del suo acido coniugato, come nella sezione precedente. Per l’ammoniaca ciò è espresso dalla
seguente equazione ipotetica:
NH3 + H2O → NH2(–) + H3O
(+)
− Gli stessi fattori che diminuiscono la basicità delle ammine ne fanno aumentare l’acidità. Nella tabella sono riportati alcuni esempi in ordine crescente
di acidità. I primi quattro composti mostrano lo stesso ordine di acidità visto prima per la basicità. Gli ultimi due composti mostrano l'influenza
sull’acidità del legame N-H degli adiacenti gruppi solfonile e carbonilici. La maggiore acidità è dovuta alla stabilizzazione per risonanza delle relative
basi coniugate.
− Gli acidi possono essere convertiti nelle loro basi coniugate per reazione con basi forti. Alcuni esempi di reazioni sono riportati di seguito, dove gli
idrogeni acidi sono colorati in blu e le basi in rosso. Per la completa conversione della base coniugata, come mostrato, è richiesta una base di
reagente all'incirca un milione di volte più forte.
C6H5SO2NH2 + KOH → C6H5SO2NH(–) K(+) (base coniug. solfonammidica) + H2O
(CH3)3COH + NaH → (CH3)3CO(–) Na(+) (base coniug. alcossido ) + H2↑
(C2H5)2NH + C4H9Li → (C2H5)2N(–) Li(+) (base coniug. ammiduro) + C4H10
Composto
pKa 33 27 19 15 10 9.6
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NH NH2 NH2O2N NH
O
O
NHS
O
O
NH2
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5.1 Alcaloidi■ Reattività delle ammine
− Importanti reagenti basici
− In chimica organica, per le esigenze pratiche di specifiche reazioni, sono necessarie basi organiche di forza variabile.
− La base comune idrossido di sodio HO(-) non è solubile in molti solventi organici e, pertanto, non può essere usata come reagente in moltereazioni organiche. La maggior parte dei reagenti basici sono sali di ioni alcolato, ammine o sali di ammiduri. Le basi coniugate degli alcoli(ioni alcossido o alcolato) sono più deboli delle basi ammiduro e colmano il divario tra la forza delle ammine e delle loro basi coniugateammiduro. I pKa riportati in tabella si riferiscono all'acido coniugato della base corrispondente.
− La piridina è comunemente usata per neutralizzare gli acidi minerali che si producono nelle reazioni come coprodotti. La sua basicità enucleofilicità possono essere modificate da effetti sterici, come nel caso delle 2,6-dimetilpiridina (pKa = 6,7) o dalla stabilizzazione per risonanza,come nel caso della 4-dimetilamminopiridina (pKa = 9,7). La base di Hünig (N-etil-N-(prop-2-il)propan-2-ammina) è relativamente più forte, maun cattivo nucleofilo a causa dell’ingombro sterico e, come la DBU (1,8-diazabiciclo[5.4.0]undec-7-ene), è spesso utilizzata come base nellereazioni di eliminazione E2 condotte in solventi non polari.
− La base di Barton (2-tert-butil-1,1,3,3-tetrametilguanidina) è una base forte, cattivo nucleofilo, è usata nei casi in cui si voglia evitare lasostituzione elettrofila al doppio legame della DBU.
− Gli alcossidi sono basi più forti che sono spesso usate nel corrispondente alcool (dal quale vengono prodotti per reazione con Na metallico)come solvente o in DMSO, per sfruttarne la maggiore reattività.
− Le due basi ammiduro (NaHMDS, sodio 1,1,1,3,3,3-esametildisilammiduro; LDA, litio di(propan-2-il)ammiduro) sono molto usate per lapreparazione di basi enolato da composti carbonilici e altri acidi al carbonio deboli.
Nome della
basePiridina
N,N-dietil
etanammina
Base di
HünigDBU
Base di
Barton
Potassio
t-ButossidoSodio HMDS LDA
Formula (CH3)3CO(–) K(+) [(CH3)3Si]2N(–)Na(+) [(CH3)2CH]2N
(–)Li(+)
pKa 5.3 10.7 11.4 12 14 19 26 35.7
NN
NN
N
N
N
N
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5.1 Alcaloidi■ Reazioni delle ammine
− Sostituzione elettrofila all’azoto
− L’ammoniaca e le ammine, oltre che basi di Brønsted, sono composti nucleofili che legano una varietà di elettrofili.
− L’equazione generale per la sostituzione elettrofila all'azoto è la seguente:
2 R-NH2 + E(+) → [R-NH2E](+) → R-NHE + R-NH3(+)
− Di seguito è riportato un elenco di elettrofili che reagiscono con le ammine (atomo o sito elettrofilico colorato in blu).
Elettrofilo RCH2–X RCH2–OSO2R R2C=O R(C=O)X RSO2–Cl HO–N=O
NomeAlogenuro
alchilico
Solfonato
alchilico
Aldeide
o
Chetone
Alogenuro
acilico
o Anidride
Solfonil
cloruro
Acido
nitroso
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5.1 Alcaloidi■ Reazioni delle ammine
− Sostituzione elettrofila all’azoto
− Alchilazione
− La reazione di un bromuro alchilico 1rio con un largo eccesso di NH3 produce la corrispondente ammina 1ria, con un meccanismo SN2. Il bromuro
di idrogeno HBr prodotto nella reazione si combina con l‘eccesso di ammoniaca, formando bromuro di ammonio NH4(+)Br(-) come sottoprodotto.
2 RCH2Br + :NH3 (largo eccesso) → RCH2NH2 + NH4(+) Br(–)
− Anche le ammine reagiscono con alogenuri alchilici per dare prodotti N-alchilati. Poiché questa reazione produce HBr, si formeranno anche sali
bromoidrati dell’ammina alchilata o dell’ammina di partenza non reagita (in equilibrio).
2 RNH2 + H3CCH2Br → RNHCH2CH3 + RNH3(+) Br(–) D RNH2C2H5
(+) Br(–) + RNH2
− L'alchilazione di ammine 1rie o 2rie non da solo il prodotto di mono alchilazione:
− rapporto ammina-alogenuro alchilico 1:1, reagisce solo il 50% dell’ammina mentre l’ammina rimanente è salificata a sale di alogenuro di
ammonio;
− rapporto 2:1, come nell’equazione precedente, sia l’ammina di partenza che l’ammina alchilata prodotta sono nucleofili e quindi, una volta avviata
la reazione, l’ammina prodotta compete con quella di partenza per formare prodotti polialchilati.
− Anche le ammine 3rie possono essere alchilate a sali ammonici quaternari. Per eliminare dalla reazione l’acido alogenidrico prodotto si usa una
base ingombrata stericamente (es. base di Hünig) che non può essere alchilata a sua volta.
C6H5NH2 + 3 CH3I + base di Hünig → C6H5N(CH3)3(+) I(–) + base di HünigH(+) I(-)
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5.1 Alcaloidi■ Reazioni delle ammine
− Sostituzione elettrofila all’azoto
− Reazione con Benzenesolfonil cloruro (Saggio di Hinsberg)
− La reazione delle ammine col reagente elettrofilico benzenesolfonil cloruro, permette di distinguere le ammine 1rie, 2rie e 3rie.
− Nelle reazioni seguenti è evidenziata la diversa reattività delle ammine:
− ammine 1rie e 2rie: reagiscono per dare derivati solfonamidici con perdita di HCl;
− ammine 3rie non reagiscono. In questo caso è possibile la formazione di un sale ammonico 4rio intermedio, che si decompone rapidamente per
dare H2O e l’ammina di partenza.
− Poiché la reazione è condotta in soluzione acquosa basica (NaOH o KOH), i derivati solfonammidici 1ri essendo acidi si sciolgono e
l’acidificazione della soluzione fa precipitare il derivato solfonammidico; i derivati 2ri sono solidi insolubili.
ammina 1ria
ammina 2ria
ammina 3ria
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S
O
O
ClNH2R' + S
O
O
N
R'
H
S
O
O
N-
R'
acido
NaOH
- HCl+
neutralizzatodalla base
Na+
OH2
solubile in H2O
S
O
O
ClNH
R'
R''
+ S
O
O
N
R''
R'
HCl
solido insolubile
+
S
O
O
ClNR'
R'''
R''
+ S
O
O
N+
R'
R''
R'''NaOH
+Na+
solubile in H2Onon isolato
Cl-
S
O
O
O-
N
R'
R''
R'''
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5.1 Alcaloidi■ Reazioni delle ammine
− Preparazione di ammine 1rie
− Per alchilazione con alogenuri alchilici o in molti casi con metodi alternativi preferenziali. Questi metodi richiedo due stadi,
ma forniscono prodotti puri e con buone rese.
− La procedura generale prevede: 1) la formazione del legame C-N per reazione di un substrato elettrofilo con un azoto
nucleofilo; 2) i sostituenti all’azoto estranei sono rimossi per fornire l’ammina finale.
− Nello schema seguente è riportato un esempio per ognuna delle classi generali di reazioni.
EsempioAzoto
Nucleofilo
Carbonio
Elettrofilo
Reazionedel 1° stadio
Prodotto inizialeCondizioni2° Stadio
Reazionedel 2° stadio
Prodotto finale
#1 N3(–) RCH2-X o
R2CH-XSN2
RCH2-N3 o
R2CH-N3
LiAlH4 o
4 H2/PdIdrogenolisi
RCH2-NH2 o
R2CH-NH2
#2 C6H5SO2NH(–) RCH2-X o
R2CH-XSN2
RCH2-NHSO2C6H5 o
R2CH-NHSO2C6H5
Na in NH3 (liq) IdrogenolisiRCH2-NH2 o
R2CH-NH2
#3 (–)CNRCH2-X o
R2CH-XSN2
RCH2-CN o
R2CH-CNLiAlH4 Riduzione
RCH2-CH2NH2 o
R2CH-CH2NH2
#4 :NH3
RCH=O o
R2C=O
Addizione /
Eliminazione
RCH=NH o
R2C=NH
H2/Ni
o NaBH3CNRiduzione
RCH2-NH2 o
R2CH-NH2
#5 :NH3 RCOXAddizione /
EliminazioneRCO-NH2 LiAlH4 Riduzione RCH2-NH2
#6NH2CONH2
(urea)R3C
(+) SN1 R3C-NHCONH2 NaOH soluz. Idrolsi R3C-NH2
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5.1 Alcaloidi■ Reazioni delle ammine
− Preparazione di ammine 1rie
Esempi #1 e #2: atomi di azoto anionici reagiscono via SN2 con alogenuri alchilici moderatamente elettrofili. Nell’esempio #2 il derivato
solfonammidico della tabella è stato sostituito con la ftalimmide acida. Il meccanismo della trasformazione è lo stesso per i due casi.
Esempio #3: è simile ai precedenti, ma permette di allungare la catena con un gruppo metilenico (CH2).
In tutti e tre questi esempi non possono essere utilizzati alogenuri alchilici 3ari perché la reazione principale sarebbe un'eliminazione E2.
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#1
Br
+N-
N+
N-
Na+
SN2
NN
+
N-
4 H2/Pd (cat.)
o LiAlH4
NH2
sodio azide
2-azidobutano
butan-2-ammina2-bromobutano
#2
O
O
NH
O
O
N-
+Na+ +
Br
O
O
N
1H-isoindol-1,3(2H)-dioneo ftalimmide
NH2O
-
O
O
O-
Na+
Na+
SN2
2 NaOH
to
sodio ftalimmiduro 2-(prop-2-en-1-il)-ftalimmide
prop-2-en-1-ammina
disodio benzen-1,2-dicarbossilatoo disodio o-ftalato
#3
Br
+C
N
Na+
C-
NS
N2
fenilacetonitrile
1) LiAlH4
2) H2O
CH2NH2
2-feniletan-1-ammina
sodio cianuro
(bromometil)benzene
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5.1 Alcaloidi■ Reazioni delle ammine
− Preparazione di ammine 1rie
Esempio #4: attacco dell’ammonia :NH3, o di un equivalente nucleofilo all’azoto, al carbonio elettrofilo di un gruppo C=O. L’addizione di un
nucleofilo alle aldeidi e ai chetoni è spesso catalizzata dagli acidi. La reazione dell’ammoniaca NH3 con aldeidi e chetoni è una reazione
reversibile di addizione-eliminazione per dare delle immine (funzione C=N). Normalmente questi intermedi non sono isolati, ma sono ridotti in situ ad
ammine.
Esempio #5: Alogenuri acilici e anidridi essendo più elettrofilici non hanno bisogno di un catalizzatore acido. I cloruri acilici reagiscono con NH3
per dare le ammidi, con un meccanismo di addizione-eliminazione, che sono poi ridotte ad amine con LiAlH4.
Esempio #6: è una procedura speciale per legare un gruppo amminico a un gruppo alchilico 3rio. Il carbocatione elettrofilo può reagire anche
con un nucleofilo debole come l’urea (la diammide del’acido carbonico). L’urea sostituita con il gruppo alchilico 3rio è poi idrolizzata per dare
l’ammina.
Un metodo speciale per le ammine 1rie, in particolare aril ammine, usa un elettrofilo all’azoto NO2(+) che si lega a un carbonio nucleofilico. Il nitro derivato
è poi ridotto ad ammina 1ria con diversi metodi.GGC_FA-STEPS-ORG 5.1_17-18 - 20
#4
O
+NH3
4 H2/Ni (cat.)
OH
NH2NH
cicloesanimmina
CH3COOH
cat.NH2
cicloesanone 1-amminocicloesan-1-olo cicloesanammina
- H2O
#5
O
Cl
O
NH2+NH3
OH
Cl
NH2
Piridina
- HCl
2-metilpropanammide
1) LiAlH4
2) H2O
NH2
2-metilpropanoil cloruro 1-amino-1-cloro-2-metilpropan-1-olo
2-metilpropan-1-ammina
#6 +NH2
NH2
O
OH C+H
2SO
4
NH2NH
O
NH2
2 NaOH
to+ NH3 + Na2CO3
2-metilpropan-2-ammina
2-metilpropan-2-olo 2-metilprop-2-ilio urea N-tert-butilurea
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5.1 Alcaloidi■ Reazioni delle ammine
− Preparazione di ammine 2rie e 3rie
− Dei sei metodi visti in precedenza, tre possono essere utilizzati per la sintesi delle ammine 2rie e 3rie:
− 1) Alchilazione dei derivati solfonammidici di ammine 1rie: fronisce le ammine 2rie
− 2 e 3) Riduzione di alchilimmine e sali dialchilimmonici: fornisce ammine 2rie e 3rie
− 4 e 5) Riduzione dei derivati ammidici di ammine 1rie e 2rie: fornisce ammine 2rie e 3rie
− La procedura della solfonammide è simile a quella della ftalimmide vista in precedenza. La base coniugata nucleofilica è ottenuta per reazione conNaOH o KOH; questa viene alchilata via SN2 con un alogenuro alchilico 1° o 2°. Il gruppo attivante è rimosso per scissione riduttiva (solfonammide)
per dare l’ammina desirata. Il metodo della ftalimmide (un solo –NH acido) è utile solo per preparare le ammine 1rie, mentre quello della solfonammide
(due –NH acidi) è utile per le ammine 1rie o 2rie.
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#1 S Cl
O
O
NH2+ S
O
NH
O
benzenesolfonil cloruro N-etilbenzenesolfonammide
S N-
O
O
K+
potassio N-etilbenzenesolfonammiduro
a)
Br
+ S
O
N
O
b) S N-
O
O
K+
SN2
(bromometil)ciclopentanoN-(ciclopentilmetil)-N-etil
benzenesolfonamide
Na in
NH3 (liq.)
NH
N-(ciclopentilmetil)etanammina
#2 O+NH2
H2/Ni (cat.)
CH3COOH
cat.
ciclopentanoneanilina
- H2O
N
N-fenilciclopentanimmina
NH
N-ciclopentilanilina
#3O+NH
H2/Ni (cat.)
CH3COOH
cat.
propanalepiperidina
- H2O
NH N+
N
sale di1-propilidenepiperidin-1-inio
1-(prop-1-en-1-il)piperidina
sodiocianoboroidruro
BH3
-NNa
+o
N
1-propilpiperidina
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5.1 Alcaloidi■ Reazioni delle ammine
− Preparazione di ammine 2rie e 3rie
− 4 e 5) Riduzione dei derivati ammidici di ammine 1rie e 2rie: fornisce ammine 2rie e 3rie
− Un altro metodo generale per preparare tutte le classi di ammine usa come intermedi le ammidi, che sono facilmente preparate per reazione
dell’ammoniaca o delle ammine con i cloruri o le anidridi di acidi carbossilici.
− Questi composti stabili possono essere isolati, identificati e conservati prima della riduzione dinale. Gli esempi #4 e #5 illustrano l’applicazione di
questo metodo. Le ammidi di ammine 1rie danno come prodotto le ammine 2rie, mentre quelle di ammine 2rie danno ammine 3rie.
− L’esempio #6 mostra la preparazione di un sale ammonico quaternario mediante ripetute alchilazioni (esaustive) delle ammine.
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#4
O
O O
+ NH2
anidride acetica 4-metilanilina
NH
O
N-(4-metilfenil)acetammide
NH
1) LiAlH4
2) H2O
N-etil-4-metilaniline
#5NH+
Cl
O
pirrolidinabenzoil cloruro
Piridina
N
O1) LiAlH
4
2) H2O
N
N-benzoilpirrolidina N-benzilpirrolidina
#6 ICH3+NH
(1s,5s)-3-azabiciclo[3.2.2]nonano
iodometano
2Piridina
- HIN
+I-
(1s,5s)-3,3-dimetil-3-azabiciclo[3.2.2]nonan-3-inio ioduro
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5.2 Carboidrati
5.0 Sostanze Naturali
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5.2 Carboidrati■ I Carboidrati sono la classe più abbondante di composti organici che si trovano negli organismi viventi. Sono prodotti della fotosintesi, che causa la
condensazione riduttiva endotermica dell'anidride carbonica CO2 con l’acqua H2O, che richiede energia luminosa e il pigmento clorofilla.
Le formule dei carboidrati possono essere scritte come idrati del carbonio, Cn(H2O)n, da cui deriva il loro nome.
I carboidrati sono fonti importanti di energia metabolica, sia per le piante e che per gli animali, assunte con gli alimenti.
Oltre al ruolo nutrizionale fondamentale degli zuccheri e degli amidi, i carboidrati anche servono anche come un materiale strutturale (cellulosa),
sono un costituente del composto che trasporta energia ATP, funzionano da siti di riconoscimento sulle membrane cellulari e sono uno dei tre
componenti essenziali di DNA ed RNA.
I carboidrati sono anche chiamati saccaridi o, quando sono relativamente piccoli, zuccheri. Di seguito sono riportati alcune modalità utili di
classificazione.
ComplessitàCarboidrati Semplici
monosaccaridiCarboidrati Complessi
disaccaridi, oligosaccaridi e polisaccaridi
DimensioneTetrosi
zuccheri C4
Pentosizuccheri C5
Esosizuccheri C6
Eptosizuccheri C7
ecc.
Gruppo funzionale carbonilico
Aldosizuccheri che hanno un gruppo funzionale aldeidico o un equivalente acetalico.
Chetosizuccheri che hanno un gruppo funzionale chetonico o un equivalente chetalico.
Reattività
Riducentizuccheri ossidati dal reagente di Tollens (o di reagenti di Benedict or Fehling).
Non-riduecentizuccheri non oossidati dal regente di Tollens o da altri reagenti.
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hν
2 2 6 12 6 26CO +6H O C H O +6O
glucosio amido, cellulosa
clorofilla
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5.2 Carboidrati
MONOSACCARIDI
TRIOSI (C3)TETROSI (C4)PENTOSI (C5)
ESOSI (C6)
ALDOSI [-C(=O)H]
TRIOSI (C3)TETROSI (C4)PENTOSI (C5)
ESOSI (C6)
CHETOSI (-C=O)
CHO
H
OHH2C
OH
CH2OH
CH2OH
OD-(+)-gliceraldeide o
(2R)-(+)-2,3-diidrossipropanale
(un aldotrioso)
1,3-diidrossiacetone (DHA) o
1,3-diidrossipropan-2-one
(un chetotrioso)
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5.2 Carboidrati■ CLASSIFICAZIONE:
−MONOSACCARIDI: non possono essere idrolizzati in molecole più semplici (es. glucosio)
−DISACCARIDI: idrolizzabili in due molecole di monosaccaride (es. saccarosio = glucosio +
fruttosio)
−OLIGO e POLISACCARIDI: idrolizzabili in più molecole di monosaccaride (es. amido, cellulosa =
migliaia di molecole di glucosio).
■ PRINCIPALI FUNZIONI BIOLOGICHE:
− Deposito di energia chimica (glucosio, amido, glicogeno)
− Struttura di supporto delle piante (cellulosa)
− Struttura delle pareti batteriche (mucopolisaccaridi)
− Componenti di DNA e RNA (deossiribosio e ribosio)
− Recettori di membrana (glicoproteine)
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(a) Muschi, felci e piante fiorite
(b) Alghe Kelp
(c) Euglena (d) Cianobatteri
5.2 Carboidrati■ Le basi della fotosintesi (tratto da Martin Huss, Arkansas State University, 2006)
− Quasi tutte le piante sono autotrofi fotosintetici, così come alcuni batteri e protisti
− Gli autotrofi generano la propria materia organica attraverso la fotosintesi
− L’Energia solare viene trasformata in energia immagazzinata sotto forma di legami chimici
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5.2 Carboidrati■ Le basi della fotosintesi
− L’energia luminosa è raccolta da piante e altri organismi autotrofi fotosintetici
ACQUA
ACQUA
OSSIGENO
ZUCCHERI
CARBONIO DIOSSIDO
6 CO2 + 6 H2O + luce → C6H12O6 + 6 O2
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5.2 Carboidrati■ Le basi della fotosintesi
− Spettro Elettromagnetico e Luce Visible
Raggi
Gamma Raggi-X Raggi UVRaggi Infrarossi
e Microonde Onde Radio
Luce Visible
Lunghezza d’onda (nm)
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5.2 Carboidrati■ Le basi della fotosintesi
− Spettro Elettromagnetico e Luce Visible
Perchè le piante sono verdi?
Trasmettono
Luce visibile
verde
Luce visibile
verde
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5.2 Carboidrati■ Le basi della fotosintesi
− Perchè le piante sono verdi?
Le cellule vegetali contegono
cloroplasti di volore “verde”
La membrana
tilacoide del
cloroplasto è
impregnata di
pigmenti
fotosintetici
(clorofille,
carotenoidi).
Stroma
Tilacoide
Grano(pila di
tilacoidi)
Spaziointermembrana
Membrana interna
Membrana esterna
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5.2 Carboidrati■ Le basi della fotosintesi
− Il colore della luce osservato non è quello della luce assorbita
− I cloroplasti presenti nelle foglie, contengono:
− lo stroma, un fluido;
− la grana, pile di tilacoidi che contengo la clorofilla.
− La clorofilla è il pigmento verde che cattura la luce per la
fotosintesi.
− I cloroplasti assorbono energia luminosa e la convertono in
energia chimica.
LuceLuce
Riflessa
LuceAssorbita
Luce Trasmessa
Cloroplasto
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Sezione trasversale della fogliaCELLULA MESOFILLICA
FOGLIACloroplasto
Mesofillo
CLOROPLASTO Spazio intermembrane
Membranaesterna
Membranainterna
TilacoideStromaStromaGrana
5.2 Carboidrati■ Le basi della fotosintesi: localizzazione e struttura dei cloroplasti
Grana
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5.2 Carboidrati■ Le basi della fotosintesi
− Nella maggior parte delle piante, la fotosintesi si verifica principalmente nelle foglie, in particolare nei cloroplasti.
− La clorofilla è il pigmento verde che cattura la luce per la fotosintesi.
Carboniodiossido
Acqua Glucosio Ossigenogassoso
FOTOSINTESI
Luce
clorofilla
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■ I cloroplasti contengono diversi pigmenti
- Clorofilla a
- Clorofilla b
- Carotenoidi
Figure 7.7
5.2 Carboidrati
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Spettro Visibile(Vis) del b-carotene
b-carotene
400 500 600 700 nm
Spettro visibile
5.2 Carboidrati
11 legami C=Clmax 460 nm e 139.000
− Assorbe luce visibile nell’intervallo 400-500 nm (blu-
indaco) e lascia passare le altre radiazioni (giallo-
rosso)
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141615
13
N23
N24 11
4 6
91
19
12
N21
N22
3
10
5
20
2
7
8
17
18
O
O
O
OO
Mg
5.2 Carboidrati
▪ Clorofilla a: gruppo metilico –CH3 in C-7 ▪ Clorofilla b: gruppo formilico –CHO in C-7
Anello porfirinico
aromatico, con
4n+2 e- P (18)
delocalizzati
Fitolo
■ La clorofilla è il pigmento più diffuso sulla Terra e serve come “trappola per la luce” e come cromoforo per il trasferimento
dell’energia negli organismi fotosintetici.
141615
13
N23
N24
11
4 6
91
19
12
N21
N22
3
10
5
20
2
7
8
17
18
O
O
O
OO
R
Mg
O
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▪ I diversi pigmenti assorbono la luce a diverse lunghezze d’onda
5.2 Carboidrati
− Le clorofille assorbono luce visibile nell’intervallo 400-500 nm (blu-indaco) e 600-700 nm (rosso) e lasciano
passare la luce verde tra 500 e 600 nm.
Spettri di assorbimento Spettro di azione della fotosintesi
Lunghezza d’onda (nm)
As
so
rba
nza
Ve
loc
ità
re
lati
va
di
foto
sin
tes
i
Clorofilla b
Clorofilla a
b-carotene
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5.2 Carboidrati■ Le basi della fotosintesi
− Le reazioni luce-dipendenti convertono l’energia
della luce (assorbita dalla clorofilla) in energia
chimica producendo ATP e NADPH e liberando O2
− Il ciclo di Calvin produce il glucosio dalla CO2
− L’ATP fornisce l'energia per le reazioni di sintesi
− Il NADPH fornisce gli elettroni per la riduzione
della CO2
Luce Cloroplasto
Reazioniluce-
dipendenti
Ciclo diCalvin-Benson
NADP
ADP+ P
Zucchero usato per:
• Respirazionecellulare
• Cellulosa
• Amido
• Altri composti
organici
GlucosioO2
CO2
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5.2 Carboidrati■ Le basi della fotosintesi: ciclo di Calvin-Benson
− Ciclo riduttivo del pentoso fosfato o ciclo C3. E’ un processo metabolico ciclico che avviene nello stroma del cloroplasto e che
utilizza ATP e NADPH provenienti dalla fase luce-dipendente per sintetizzare glucosio. L’atomo di carbonio del carbonio biossido
CO2 è «fissato» a una molecola a 5 atomi di carbonio, il ribulosio 1,5-bisfosfato, per azione dell’enzima RuBisCO (ribulosio-
1,5-bisfosfato carbossilasi ossigenasi); la serie di reazioni successive, che utilizzano gli idrogeni del NADPH, permettono la
sintesi del glucosio.
− Prodotti del ciclo:
− Equazione complessiva
− 6 CO2 + 12 NADPH + 10 H2O + 18 ATP → 2 gliceraldeide-3-fosfato (G3P) + 4 H+
+ 12 NADP+ + 18 ADP + 16 Pi (fosfato inorganico) → → → glucosio C6H12O6
− I prodotti di un solo ciclo sono 2 molecole di gliceraldeide-3-fosfato (G3P), 3
ADP e 2 NADP+
− (ADP e NADP+ sono riutilizzati nelle reazioni luce-dipendenti).
− Ogni molecola di G3P è composta da 3 atomi di carbonio. Per continuare il
ciclo, il RuBP (ribulosio 1,5-bisfosfato) deve essere rigenerato. A questo scopo
vengono utilizzati 5 carboni su 6 provenienti da 2 molecole di G3P. In
definitiva, in ogni giro è fissato 1 solo atomo di carbonio (CO2).
− Per creare un eccesso di G3P sono necessari 3 atomi di carbonio e, quindi, 3
giri completi del ciclo.
− Pertanto, per ottenere una molecola di glucosio, che è sintetizzata da 2
molecole di G3P, sono necessari 6 giri del ciclo di Calvin-Benson. L’eccesso
di G3P può essere utilizzata per formare altri carboidrati come saccarosio,
amido e cellulosa, a seconda del fabbisogno della pianta.b-D-Glucopiranosio
45 O
12
3
HOH
HH
H
H
OHOH
OH
6
OH
RS
R R
R
Fase 1:
Fissazione
del Carbonio
Ribulosio 1,5-bisfosfato
Ribulosio 5-fosfato
Carbonio
diossido
3-fosfoglicerato
3-fosfoglicerato
1,3-bisfosfoglicerato
Fosfato inorganico
Gliceraldeide 3-fosfato
(G3P)
Via metabolica
centrale
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5.2 Carboidrati■ Stereoisomeria dei carboidrati: convenzione di Fisher o D,L
− Secondo questa convenzione i vari composti si dicono D o L a seconda che siano correlati alla D o alla L-gliceraldeide.
D-(+)-gliceraldeide L-(-)-gliceraldeide
CHO
OH
OHH2C
H
CHO
H
OHH2C
OH
CHO
H
OHH2C
OH
CHO
OH
OHH2C
H
Zuccheri della serie Dtra i componenti degli acidi nucleici DNA e RNA
D-(-)-ribosio
O
OHOH
OH
OH CH2OH
HOH
H OH
H OH
H
O
CHO
CH2OH
H OH
H OH
H OHS
RR
R
**
*
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5.2 Carboidrati■ Interconversione di convenzioni
− In una formula di proiezione di Fisher l’atomo a minore priorità, cioè l’idrogeno, si trova generalmente sopra il piano.
− Pertanto, per passare dalla convenzione D/L a quella R/S è necessario:
a) stabilire le priorità dei sostituenti legati al carbonio chirale;
b) ridisegnare la formula secondo la convenzione R/S, in modo da portare l’atomo di idrogeno dietro il piano e, quindi, assegnare la
configurazione in base alle priorità;
c) oppure, senza ridisegnare la formula, ruotare la formula di Fisher di 90° nel piano (N.B. in senso orario o antiorario è indifferente) in
modo che l’atomo di H, trovandosi verticalmente, è dietro il piano. [N.B. La configurazione è invertita (D à L o L à D)];
d) seguendo l’ordine delle priorità prima definite, si ha “configurazione provvisoria R” se il verso è orario, “configurazione provvisoria S”
se è antiorario: la “configurazione effettiva” è opposta a quella assegnata provvisoriamente.
D-(+)-gliceraldeide
CHO
H
OHH2C
OH
OH
CHO
OHH OHC
H
OHCH2
OH CHO
OHOH HCHO
H
OH CH2
OH
CHO
H
OHH2C
OH
CHO
H
OHH2C
OH
2
14
32
1
4
3
Rotazione di 90° nel pianoRiorientazione secondo convenzione R,S Inversione della configurazione
(configurazione provvisoria S)
2
1
4
3
2
1
4
3R S
S2
1
4
3
S
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5.2 Carboidrati■ Composti con più di un centro asimmetrico
− I composti che contengono 2 o più centri chirali possono esistere in più di due forme stereoisomere.
− Alcune sono coppie di enantiomeri (otticamente attivi); altri sono diastereoisomeri.
− Il numero di stereoisomeri possibili per tali composti è uguale a 2n, dove n è il numero di centri asimmetrici presenti nella
struttura, mentre il numero di racemati è uguale a 2n-1.
Stereoisomeri del 2,3,4-tridrossibutanale
diastereoisomeridiastereoisomeri
OH
HOH2C
H
OH
CHO
H
R S
CH2OH
OH
H
OHC
OH
H
SR
OH
HOH2C
H
OH
CHO
H
R R
CH2OH
OH
H
OHC
OH
H
SS
OH
CH2OH
H
H
CHO
OH
H
CH2OH
OH
OH
CHO
H
OH
CH2OH
H
OHH
CHO
H
CH2OH
OH
H
CHO
OH
D-eritrosio
≡ ≡
≡ ≡
L-eritrosio
D-treosio L-treosio
enantiomeri
enantiomeri
racemato
racemato
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5.2 Carboidrati■ Composti con più di un centro asimmetrico
− Nei composti con 2 o più centri chirali sostituiti in modo identico alcune coppie sono simmetriche e quindi inattive.
− In tali casi la regola 2n non è valida.
− I composti simmetrici sono detti composti meso e sono otticamente inattivi.
Stereoisomeri dell’acido tartarico
Stessa struttura
enantiomeri
diastereoisomeridiastereoisomeri
OH
HOOC
H
OH
COOH
H
S S
COOH
OH
H
HOOC
OH
H
RR
OH
HOOC
H
OH
COOH
H
S R
COOH
OH
H
HOOC
OH
H
RS
OH
COOH
H
H
HOOC
OH
H
COOH
OH
OH
HOOC
H
OH
COOH
H
OH
HOOC
H
H
COOH
OH
H
HOOC
OH
meso-tartarico
≡ ≡
≡ ≡
D(-)-tartarico L(+)-tartarico
meso-tartarico
racemato
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5.2 Carboidrati■ Composti con più di un centro asimmetrico (N. di stereoisomeri 2n)
Configurazione dei D-AldosiCHO
H
OHH2C
OH D-(+)-gliceraldeide
OH
CH2OH
H
H
CHO
OH
OH
CH2OH
H
OHH
CHO
D-(-)-eritrosio D-(-)-treosio
CHO
CH2OH
OH H
H OH
H OH
CHO
CH2OH
OH H
OH H
H OH
CHO
CH2OH
H OH
OH H
H OH
CHO
CH2OH
H OH
OH H
H OH
H OH
CHO
CH2OH
H OH
H OH
H OH
H OH
CHO
CH2OH
H OH
OH H
OH H
H OH
CHO
CH2OH
H OH
H OH
OH H
H OH
CHO
CH2OH
OH H
OH H
H OH
H OH
CHO
CH2OH
OH H
H OH
H OH
H OH
CHO
CH2OH
OH H
OH H
OH H
H OH
CHO
CH2OH
OH H
H OH
OH H
H OH
D-(-)-Ribosio D-(-)-Arabinosio D-(+)-Xilosio D-(-)-Lixosio
D-(+)-Allosio D-(+)-Altrosio D-(+)-Glucosio D-(+)-Mannosio D-(-)-Gulosio D-(+)-Idosio D-(+)-Galattosio D-(+)-talosio
CHO
CH2OH
H OH
H OH
H OH
Per ogni serie (C4, C5, C6) tra i diversi zuccherivi è una relazione diatereoisomerica, cioè sonotutti composti diversi.Per convenienza, due zuccheridiastereoisomeri che differiscono per un solostereocentro si dicono epimeri.
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5.2 Carboidrati■ Composti con più di un centro asimmetrico (N. di stereoisomeri 2n)
Configurazione di alcuni D-ChetosiCH2
OHCH2
O
OH
OH
CH2OH
O
CH2 OH
D-Eritrulosio
CH2
CH2OH
O
OH H
H OH
OH
CH2
CH2OH
O
OH H
H OH
H OH
OHCH2
CH2OH
O
H OH
H OH
H OH
OH CH2
CH2OH
O
H OH
OH H
H OH
OH CH2
CH2OH
O
OH H
OH H
H OH
OH
D-Ribulosio D-Xilulosio
D-Psicosio D-Fruttosio D-Sorbosio D-Tagatosio
CH2
CH2OH
O
H OH
H OH
OH
1,3-Diidrossipropan-2-one
o diidrossiacetone (DHA)
……………….
………………. ……………….
………………. ………………. ………………. ……………….
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5.2 Carboidrati■ Zuccheri: tautomeria ciclo-catena aperta del D-glucosio
− Gli zuccheri esistono prevalentemente come molecole cicliche, dette anomeri; possono formare eterocicicli a 5 e/o 6
termini, che possono essere considerati derivati del tetraidrofurano e del tetraidropirano.
− Gli anomeri sono diastereoisomeri delle forme cicliche emiacetaliche dei relativi zuccheri e differiscono solo per la
configurazione a C-1 in un aldoso o a C-2 in un 2-chetoso.
1
CH2OH
H OH
OH H
H OH
H OH
OH
D
D-Glucosio
1
CH2OH
H OH
OH H
H OH
H
OH H
O
-D-Glucopiranosio
1
CH2OH
H OH
OH H
H
H
OH H
OH
O
-D-Glucofuranosio
1
O
OHOH
OH
OH
OH
O
1
OHOH
OH
OH
OH
≡ ≡
0,02 % > 99,8%< 0,2 %
CH2
2
CH2OH
O
OH H
H OH
H OH
OH
D
D-Fruttosio
2
H
OH H
H OH
H OH
H
OH CH2
O
OH
-D-Fruttopiranosio
2
CH2
OH H
H OH
H
OH CH2
OH
O
OH
-D-Fruttofuranosio
2
O
OH
OH
OH
OHOH
O2
OH
OH
OH
OH
OH
≡ ≡
70%22%
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5.2 Carboidrati
b-D-glucopiranosio o b-D-glucosio
(2R,3R,4S,5S,6R)-6-(idrossimetil)tetraidro-2H-piran-2,3,4,5-tetraolo
O
OH
OH
OH
OH
OH
R
SS
R
R
b-D-ribofuranosio o D-ribosio(2R,3R,4S,5R)-5-(idrossimetil)tetraidrofuran-2,3,4-triolo
(costituente del RNA)
b-D-3-deossiribofuranosio o D-deossiribosio(2R,3R,4S,5R)-5-(idrossimetil)tetraidrofuran-2,3,4-triolo
(costituente del DNA)
OHO
OH
OHOH
OOH
OHOH
OH
R
S
R
R
OHO
OH
OH
OHO
OH
OH
R
S
R
■ Zuccheri
− Gli aldoesosi (es. glucosio) e gli aldopentosi (es. ribosio) formano rispettivamente cicli a 6 e 5 termini, che si possono
considerare come derivati del tetraidropirano e del tetraidrofurano.
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5.2 Carboidrati■ Zuccheri: tautomeria ciclo-catena aperta del D-glucosio
− La reazione di ciclizzazione negli aldoesosi (es. glucosio), porta alla formazione di cicli a 6 e/o 5 termini derivati dal tetraidropirano o daltetraidrofurano; è dovuta all’attacco nucleofilico al gruppo -CH=O degli -OH in C-5 o C-4. Gli aldopentosi (es. ribosio) formano principalmentecicli a 5 termini.
D-Glucosio
b-D-Glucopiranosio
45 O
12
3
HOH
HH
H
H
OHOH
OH
6
OH
eq.
anomero
RS
R R
R
a-D-Glucopiranosio
≡
≡
45 O
12
3
OHOH
HH
H
H
HOHOH
6OH
ass.
anomero
RS
R R
S
5 O
1
23
4
H
HH
H
OHOH
H OH
OH
6OH
RS
R
R
R
5 O
1
23
4
OH
HH
H
OH
OH
H OH
H
6 OH
RS
R
R
Sformula di Fisher
Conformazioni a sediaformule di Haworth1
2345HOH2C
H
OH
OH
H
H
OH
H
OHO
H
RSRR
1
2
3
4
5
CH2OH6
H OH
OH H
H OH
H OH
OH
R
S
R
R
Rotaz.
90° dx
5 OH
1
23
4 HHH
OH
OH
H OH
O
6
OH
RS
R
R
5 OH
1
23
4 HHH
OH
OH
H OH
O
6
OH
RS
R
R
≡
≡1
2
O
3
5
4
OH
OH
OH
OH
6
OHR
RS
R
R
1
2
O
3
5
4
OH
OH
OH
OH
6
OHS
RS
R
R
Formule prospettiche
formazione anomero b
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5.2 Carboidrati■ Zuccheri: mutarotazione
− La mutarotazione è il cambiamento di attività ottica che si osserva quando uno zucchero in soluzione acquosa si
trasforma nel suo anomero fino al raggiungimento dell’equilibrio.
− Il raggiungimento dell’equilibrio è accelerato sia dagli acidi che dalle basi. All’equilibrio il glucosio ha [a]D = 52.7°.
CH2OH
H OH
OH H
H OH
H OH
OH
R
S
R
R
D-(+)-Glucosio
CH2OH
H OH
OH H
H OH
H
OH H
O
b-D-Glucopiranosio
a-D-Glucopiranosio
CH2OH
H OH
OH H
H OH
H
H OH
O
[a]D = 18.7°
63.6%
[a]D = 112°
36.4%
[a]D eq. = (112° x 36.4)/100 + (18,7°
x 63.6)/100 = 40,768 + 11,8932 = 52,6612 = 52,7°
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Legame glicosidico: disaccaridi e polisaccaridi
5.2 Carboidrati
Disaccaridi
Lattosio
Es. Cellulosa - E’ un polimero lineare che
è la componente strutturale principale
delle pareti cellulari delle piante; contiene
da 2.500 a 15.000 unità di D-glucosio
legate con legami b-glicosidici tra i
carboni 1 e 4.
Saccarosio
Polisaccaridi
45 O
123
OOH
HH
H
H
HOHOH
6OH
45 O
12
3
HOH
HH
H
H
OHOH
6
OH
D-glucopiranosio
anomero
RS
R R
S D-glucopiranosio
anomero
RS
RR
Rlegame
glicosidico
b-Maltosio - Zucchero di malto. Si ottieneper scissione ezimatica dell’amido conamilasi.
legame
glicosidico
D-glucopiranosio
anomero D-glucopiranosio
anomero
O
4 O
HOH
HH
H
H
OHOH
OHO
1
OH
HH
H
H
OHOH
OH
H
Cellobiosio - Si ottiene per scissioneenzimatica o idrolisi acida dellacellulose.
D-glucopiranosio
anomero
RS
R R
S D-fruttofuranosio
anomero
45 O
123
OOH
HH
H
H
HOHOH
6OH
5
O
4
2
3
OH
OH
6OH
1
OH
D-galattopiranosio
anomero
D-glucopiranosio
anomero
O
O
HOH
HH
H
H
OHOH
OHO
OH
HH
OH
H
OHH
OH
H
OO
HOH
HH
H
H
OOH
OHO
OH
HH
H
H
OHO
OH
H
O
O
HOH
HH
H
H
OOH
OHO
OH
HH
H
H
OH
OH
Hlegame
glicosidico
legame
glicosidico
legame
glicosidico
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■ Legame glicosidico: polisaccaridi ciclici
5.2 Carboidrati
Spacefilling
Ciclodestrine alfa, beta e gamma (tratto da Wikipedia; formule di struttura generate con ChemSketch e Spartan ‘14)
− Le ciclodestrine (CyD o CD) sono oligosaccaridi ciclici naturali formati rispettivamente da 6 (alfa), 7 (beta) o 8 (gamma)monomeri di D-(+)glucopiranosio uniti tra loro con un legame α-1,4-glucosidico e chiusi ad anello. Vengono prodotte perdegradazione dell’amido da parte del batterio Bacilus amylobacter, che utilizza l'enzima ciclodestrina-glucanotrasferasi(CGTasi).
− Hanno struttura cava a tronco di cono.
− Differiscono per la grandezza dell'anello, della cavità (5,7, 7,8 e 9,5 Å) e per la solubilità in acqua (18,5 g/l per la β, 145g/l per l'α e 232 g/l per la γ). A t.a. si presentano come una polvere bianca cristallina inodore e dal sapore poco dolce.
a-ciclodestrina
Ball&stick
OOH
OH
O
OHO
OHOH
OOH
OOH
OH
O
OH
O
OH
OH
O
OHO
OHOH
OOH
OOH
OH
O
OH
O OH
OH
O
OH
O
OH
OHO
OH
O
OH
OH
O
OH
O OH
OH
O
OH
O
OH
OHOOH
O
OH
OH
OOH
A linee
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5.2 Carboidrati■ Legame glicosidico: polisaccaridi ciclici
b-ciclodestrina g-ciclodestrina
− Ciclodestrine alfa, beta e gamma (tratto da Wikipedia; formule di struttura generate con Spartan ‘14)− La struttura tridimensionale presenta i gruppi ossidrilici sui bordi esterni, mentre nella cavità sono presenti solo atomi di
idrogeno e ponti ossigeno. La cavità centrale è idrofobica, mentre i bordi esterni sono idrofilici. Per queste caratteristichestrutturali le ciclodestrine possono includere molecole idrofobe all'interno della cavità e sono solubili in acqua. Pertantofanno aumentare la solubilità in acqua delle sostanze idrofobe ospitate nella cavità.
− Le molecole devono avere polarità e dimensioni opportune per essere ospitate nella cavità della ciclodestrina, in modo daformare un complesso di inclusione (host-guest). Le molecole incluse possono essere alifatiche (lineari o ramificate),aldeidi, chetoni, alcoli, acidi organici, acidi grassi, alogenuri, molecole aromatiche, gas, ossiacidi e ammine, farmaci,colesterolo e steroidi, ecc..
OH
OHO
O
OH
OH
OH
O
O
OH
OH
OH
O
O
OH
OHOH
OO
OH OH
OHO
OOH
OH
OH
O
O
OH
OH
OH
O
OOH
OHOH
OO
OH
Complesso b-ciclodestrina-mentolo
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5.2 Carboidrati■ Reazioni - La struttura del glucosio (C6H12O6) e di altri aldoesosi fu determinata mediante semplici reazioni chimiche.
CH2OH
H OH
OH H
H OH
H OH
OH
[ossidazione blanda]
(Br2 in H
2O)
t
HCN
- HCN
[ossidazione energica]
(HNO3 dil.)
Piridina
(CH3CO)
2O
eccesso
C6H12O6
CH2
CH2OH
H OH
HO H
H OH
H OH
OH
NaBH4C6H14O6
CH2
CH2OAc
H OAc
AcO H
H OAc
H OAc
OAc
C18H26O12
C6H14
CHO
CH2OAc
H OAc
AcO H
H OAc
H OAc
C6H22O11
CH2OH
H OH
OH H
H OH
H OH
OHH
N
C7H13O6N
COOH
CH2OH
H OH
OH H
H OH
H OH
C6H12O7
HI
Piridina
(CH3CO)
2O
eccesso
COOH
COOH
H OH
OH H
H OH
H OH
C6H10O8
Glucosio
cianoidrina
Acido
Gluconico
Acido
Glucarico
Sorbitolo
Glucosio
pentaacetato
Sorbitolo
esaacetato
Esano
I saccaridi sono scissi in modo estensivo per mezzo
di acido periodico HIO4 per la presenza dei dioli
vicinali. Questa scissione ossidativa, nota come
reazione di Malaprade è utile soprattutto per l’analisi
dei derivati Ossigeno-sostituiti dei saccaridi, poiché le
funzioni etere non reagiscono.
Conferma la presenza di
cinque gruppi os-
sidrilici legati
singolarmente agli ultimi
cinque atomi di carbonio
e l’assenza di ossidrili
geminali (gem-dioli) che
sono instabili e perdono
acqua per dare un
gruppo aldeidico.
Rimozione riduttiva
dei gruppi funzionali
ossigenati per
reazione con acido
iodidrico HI a caldo,
per dare esano (resa
bassa): dimostra la
presenza di una
catena di 6 carboni
non ramificata .
Le tre reazioni
confermano la presenza
del gruppo carbonilico
aldeidico.
Riduzione del
gruppo aldeidico
e conferma di sei
OH.
Conferma
la catena
di sei
carboni.
OH
OH
OH
OHO
OH
+ 5 HIO4CH2 O
glucosio
formaldeide
+ 5 HCOOH + 5 HIO3
acidoformico
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5.3 Lipidi
5.0 Sostanze Naturali
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5.3 Lipidi
- Neutri
- Fosfogliceridi
- Sfingolipidi
- Steroidi
- Prostaglandine
- Cere
- Terpeni
- Lipoproteine
- Glicolipidi
Lipidi (McMurry, cap. 27)− Sono un vasto gruppo di sostanze di origine biologica, la cui struttura è caratterizzata dalla presenza di una estesa porzione
idrocarburica che le rende solubili in solventi non polari. Sono rappresentati da lipidi saponificabili, cioè idrolizzabili in ambiente
basico, come i gliceridi (grassi e olii) e i fosfolipidi, e da lipidi non saponificabili (in particolare steroidi e terpeni).
Tipi di lipidi
- Saturi
- Insaturi
Acidi grassi Gliceridi
Non gliceridiLipidi complessi
COOH
Acido stearico
COOH
Acido oleicoGliceride Fosfogliceride
O
O O
R1
OO
R2
O
R3
O
O O
R1
OO
R2
PO
O-
O Z
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5.3 Lipidi Funzioni dei lipidi
- Struttura della membrana cellulare (fosfogliceridi)
- Creare una barriera per la cellula.
- Controllare il flusso di materiale.
- Sfingolipidi e Glicolipidi
- Presenti nelle membrane cellulari e nei tessuti nervosi.
- Immagazzinamento di energia (trigliceridi)
- Grassi e olii con funzione di riserva, conservati rispettivamente nei tessuti animali (tessuto adiposo) e vegetali.
- Ormoni e Vitamine
- Ormoni: regolano la comunicazione tra cellule.
- Vitamine: coadiuvano nella regolazione dei processi biologici.
- Prostaglandine
- Stimolazione dei muscoli sottili, regolazione della produzione di steroidi, inibizione di ormoni, regolazione della trasmissione
nervosa, sensazione del dolore, mediazione della risposta infiammatoria.
- Cere
- Funzione di protezione della pelle dei vertebrati, dell’esoscheletro degli insetti, delle foglie e dei frutti nei vegetali.
- Terpeni
- Molto diffusi nei vegetali e negli animali (olii essenziali, ormoni, fitoregolatori).
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5.3 Lipidi Acidi grassi: acidi monocarbossilici ottenuti per idrolisi di grassi ed olii.
- Quasi tutti hanno un numero pari di atomi di carbonio compreso tra 10 e 20 che formano una catena lineare.
- Gli acidi più abbondanti in natura sono l’acido palmitico (C16), stearico (C18) e oleico (C18).
- Negli acidi grassi insaturi prevalgono gli isomeri con configurazione Z (cis).
- Gli acidi insaturi hanno punti di fusione minori di quelli dei corrispondenti composti saturi.
COOH12
3
17
16
5
6
11
4
10 9
15
8
712
13
14
18
acido oleico
COOH1
2
3
16
5
6
11
410
915
8
7
12
13
14
acido palmitico
COOH1
2
317
16
5
6
11
410
915
8
7
12
13
1418
acido stearico
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5.3 Lipidi Nomenclatura degli acidi grassi
− In letteratura sono usati diversi sistemi di nomenclatura. Nella tabella sono descritti quelli più comuni.
Sistema di nomenclatura Esempio Descrizione
Generico
(o nomi comuni) Acido palmitoleico
I nomi generici sono nomi storici non sistematici, usati più di frequente in letteratura. Gli acidi grassi più comuni oltre al
loro nome generico hanno anche un nome sistematico (vedi dopo). I nomi generici non seguono alcuno schema ma sono
brevi e non ambigui. Spesso richiamano la fonte animale o vegetale di provenienza del lipide.
Sistematico
(or nomi IUPAC) Acido (9Z)-ottadec-9-enoico
Applica le regole IUPAC per la nomenclatura in Chimica Organica pubblicate 1979, insieme a una raccomandazione
particolare per i lipidi pubblicata nel 1977. La numerazione parte dal carbonio dell’acido carbossilico. Dove necessario,
per indicare la configurazione dei doppi legami si usa la notazione cis-/trans- o E-/Z-.
Questa notazione è generalmente più dettagliata di quella generica, ma è scientificamente più chiara e descrittiva.
Δx (o delta-x) Acido cis,cis-Δ9,Δ12
ottadecadienoico
Ogni doppio legame è indicato con Δx, ed è localizzato sul ximo legame carbonio–carbonio a partire dal gruppo
carbossilico. Ogni doppio legame è preceduto dal prefisso cis- o trans-, che indica la sua configurazione. Per esempio,
l’acido linoleico è designato “acido cis,cis-Δ9,Δ12 ottadecadienoico".
Questa nomenclatura ha il vantaggio di essere meno dettagliata di quella IUPAC, ma è altrettanto chiara e descrittiva.
n−x
(n meno x; anche ω−x
o omega-x)
n−3
Fornisce il nome dei singoli composti e le indicazioni sulle loro probabili proprietà biosintetiche negli animali. La
posizione di un doppio legame è localizzato sul ximo legame carbonio–carbonio, a partire dal metile terminale della
catena idrocarburica (designato come n o ω). Per esempio,l’acido α-linolenico è classificato come un acido grasso n−3 o
omega-3, che probabilmente condivide la stessa via biosintetica con altri composti di tipo omega-3. La notazione "omega“,
ω−x o omega-x, molto popolare nella letteratura nutrizionale, è sconsigliata dalla IUPAC nell’impiego nei documenti
scientifici, a favore di quella n−x. Quelle degli acidi grassi n−3 ed n−6 sono le vie biosintetiche più studiate.
Numeri di lipide
C:D (x c/z)18:1(9c)
Assume la forma C:D (x c/z), dove C è il numero di atomi di carbonio dell’acido grasso; D è il numero di doppi legami -
se sono più di uno, si suppone che siano separati da una unità metilenica CH2. Per evitare ambiguità è possibile indicare, tra
parentesi, al posto di x la posizione di uno o più doppi legami secondo la IUPAC e con c/z la configurazione cis- o trans-
degli stessi.
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5.3 Lipidi
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Nomenclatura degli acidi grassiEsempi di acidi grassi insaturi
Nome Comune Formula condensata Δx C:D n−x
Myristoleic acid CH3(CH2)3CH=CH(CH2)7COOH cis-Δ9 14:1 n−5
Palmitoleic acid CH3(CH2)5CH=CH(CH2)7COOH cis-Δ9 16:1 n−7
Sapienic acid CH3(CH2)8CH=CH(CH2)4COOH cis-Δ6 16:1 n−10
Oleic acid CH3(CH2)7CH=CH(CH2)7COOH cis-Δ9 18:1 n−9
Elaidic acid CH3(CH2)7CH=CH(CH2)7COOH trans-Δ9 18:1 n−9
Vaccenic acid CH3(CH2)5CH=CH(CH2)9COOH trans-Δ11 18:1 n−7
Linoleic acid CH3(CH2)4CH=CHCH2CH=CH(CH2)7COOH cis,cis-Δ9,Δ12 18:2 n−6*
Linoelaidic acid CH3(CH2)4CH=CHCH2CH=CH(CH2)7COOH trans,trans-Δ9,Δ12 18:2 n−6
α-Linolenic acid CH3CH2CH=CHCH2CH=CHCH2CH=CH(CH2)7COOH cis,cis,cis-Δ9,Δ12,Δ15 18:3 n−3*
Arachidonic acid CH3(CH2)4CH=CHCH2CH=CHCH2CH=CHCH2CH=CH(CH2)3COOH cis,cis,cis,cis-Δ5Δ8,Δ11,Δ14 20:4 n−6
Eicosapentaenoic acidCH3CH2CH=CHCH2CH=CHCH2CH=CHCH2CH=CHCH2CH=CH(CH2)3
COOHcis,cis,cis,cis,cis-Δ5,Δ8,Δ11,Δ14,Δ17 20:5 n−3
Erucic acid CH3(CH2)7CH=CH(CH2)11COOH cis-Δ13 22:1 n−9
Docosahexaenoic acidCH3CH2CH=CHCH2CH=CHCH2CH=CHCH2CH=CHCH2CH=CHCH2CH
=CH(CH2)2COOHcis,cis,cis,cis,cis,cis-Δ4,Δ7,Δ10,Δ13,Δ16,Δ19 22:6 n−3
*Essenziali per gli esseri umani e altri animali che devono ingerirli con la dieta, perché non sono sintetizzati dall’organismo e sono necessari per un buono
stato di salute.
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5.3 Lipidi Nomenclatura degli acidi grassi
18:1 (9c)
Numero atomi
CarbonioNumero
doppi legamiPosizione
doppi legami
Stereochimica
doppi legami
COOH12
3
17
16
5
6
11
4
10 9
15
8
712
13
14
18
IUPAC: acido (9Z)-ottadec-9-enoico
- acido cis-9 ottadecenoico
- acido oleico
- n-9 o w-9
Esempi: acido oleico CH3(CH2)7CH=CH(CH2)7COOH;
acido linolenico CH3CH2CH=CHCH2CH=CHCH2CH=CH(CH2)7COOH
COOH12
3
17
16
5
6
11
4
10 9
15
8
712
13
14
18
18:3 (9c,12c,15c)
IUPAC: acido (9Z,12Z,15Z)-ottadeca-9,12,15-trienoico
- acido cis,cis,cis-Δ9,Δ12,Δ15 ottadecenoico
- acido linolenico
- n-3 o w-3
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5.3 Lipidi Proprietà chimico-fisiche
Acidi grassi più abbondanti nei grassi, negli olii e nelle membrane biologiche
Nome Comune Formula condensata C:D p.f. °C
Acidi saturi
Lauric acid CH3(CH2)10COOH 12:0 43,8
Myristic acid CH3(CH2)12COOH 14:0 54,4
Palmitic acid CH3(CH2)14COOH 16:0 62,9
Stearic acid CH3(CH2)16COOH 18:0 69,3
Arachidic acid CH3(CH2)18COOH 20:0 75,5
Acidi insaturi
Palmitoleic acid CH3(CH2)5CH=CH(CH2)7COOH 16:1 −0,1
Oleic acid CH3(CH2)7CH=CH(CH2)7COOH 18:1 13-14
Linoleic acid CH3(CH2)4CH=CHCH2CH=CH(CH2)7COOH 18:2 − 5
α-Linolenic acid CH3CH2CH=CHCH2CH=CHCH2CH=CH(CH2)7COOH 18:3 − 11
Arachidonic acid CH3(CH2)4CH=CHCH2CH=CHCH2CH=CHCH2CH=CH(CH2)3COOH 20:4 − 49
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5.3 Lipidi Gliceridi
Sono esteri del glicerolo (propan-1,2,3-triolo) con gli acidi grassi.
In base al numero e alla posizione dei gruppi acilici, sono suddivisi in:
- Trigliceridi
- 1,2- o 1,3-digliceridi
- 1- o 2-monogliceridi
I singoli gliceridi possono essere indicati anche come mono-, di-, tri-O-acilgliceroli.
In generale, il nome comune glicerolo è consentito nella nomenclatura dei composti organici; è anche mantenuto nel campo dei prodotti naturali,
soprattutto nella nomenclatura dei lipidi.
In particolare, le proprietà fisiche dei gliceridi dipendono dalla componente degli acidi grassi.
Il p.f.:
- aumenta con l’aumentare del numero di atomi di carbonio della catena idrocarburica;
- diminuisce all’aumentare del grado di insaturazione.
Glicerolo
OH
OH OH
Trigliceride
O
O O
R1OO
R2
O
R3
O
O O
H3C(H2C)16 OO
(CH2)16CH3
O
(CH2)16CH3 IUPAC propan-1,2,3-triil triottadecanoato
o tri-O-ottadecanoilglicerolo
o gliceril tristearato
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5.3 Lipidi Trigliceridi: grassi e olii.
- I trigliceridi ricchi di acido palmitico, stearico e altri acidi grassi saturi sono generalmente solidi o semisolidi a temperatura ambiente (t.a.) -
Grassi.
- Grassi animali: 40-50% acidi grassi saturi.
- I trigliceridi ricchi di acido oleico, linoleico e altri acidi grassi insaturi sono liquidi a t.a. - Olii.
- Olii vegetali: 80% acidi grassi insaturi.
- Un’eccezione è costituita dagli olii tropicali (cocco e palma) ricchi in acidi grassi saturi.
- Il p.f. dipende dal numero di atomi di carbonio e dalla disposizione tridimensionale delle catene idrocarburiche.
- I trigliceridi costituiti da acidi grassi saturi hanno una disposizione compatta e p.f. più alto;
- i trigliceridi costituti dai corrispondenti acidi grassi insaturi (cis), con una struttura meno ordinata e meno impaccata, hanno p.f. più
basso.
gliceril tristearato gliceril trioleato
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5.3 Lipidi Proprietà chimico-fisiche
Composizione di alcuni grassi e olii
Fonte
Acidi grassi saturi (%) Acidi grassi insaturi (%)
Laurico 12:0 Miristico 14:0 Palmitico 16:0 Stearico 18:0Oleico 18:1(9c)
n-9
Linoleico 18:2(9c,12c)
n-6
Grassi animali
Lardo - 1 25 15 50 6
Burro 2 10 25 10 25 5
Grasso umano 1 3 25 8 46 10
Grasso di balena - 8 12 3 35 10
Olii vegetali
Noce di cocco 50 18 8 2 6 1
Mais - 1 10 4 35 45
Oliva* - 1 10-12 2-3 70-80 7-10
Arachide - - 7 5 60 20
*http://www.anapoo.it/lolio/la-chimica-dellolio/
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5.3 Lipidi Trigliceridi: idrogenazione catalitica
I doppi legami C=C degli olii vegetali possono essere ridotti per idrogenazione catalitica, in genere effettuata ad alta temperatura e utilizzando un
catalizzatore di nichel o palladio, per produrre grassi saturi solidi o semisolidi, detti margarina.
La margarina si prepara a partire dagli olii di soia, di arachidi o di semi di cotone, riducendoli fino ad ottenere la consistenza desiderata.
Purtroppo, la reazione di idrogenazione, oltre la riduzione, causa l’isomerizzazione cis-trans dei rimanenti doppi legami, producendo dal 10% al 15%
circa di grassi insaturi trans. Il processo di isomerizzazione si verifica anche riscaldando semplicemente l’olio ad alta temperatura, come durante la
cottura degli alimenti per frittura.
L’assunzione con la dieta di acidi grassi trans aumenta i livelli di colesterolo nel sangue, aumentando il rischio di problemi cardio-circolatori.
Esempio: la porzione di acido linoleico è convertita in acido elaidico.
O
OO
OO
O
O
O
O
O
O OH
2/Ni o H
2/Pd
to
O
O
O
O
O O
+
residuo di acido linoleico (18:2)
residuo di acido palmitico (16:0)
residuo di acido oleico [18:1(9c)]
residuo di acido elaidico [18:1(9t)]
residuo di acido palmitico (16:0)
residuo di acido stearico (18:0)
olio vegetale
(liquido)
olio vegetale parzialmente (10-15%) e completamente idrogenato
(solido)
residuo di acido stearico (18:0)
residuo di acido palmitico (16:0)
residuo di acido stearico (18:0)
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5.3 Lipidi
NaOH/H2O
toOH
OH
OH
O-
O
Na+
O-
O
Na+
O
O-
Na+
+
Trigliceridi: idrolisi basica o saponificazione
L’idrolisi degli esteri e, quindi, dei trigliceridi in soluzione basica è chiamata saponificazione, dal termine latino "sapo", che significa sapone. I
saponi si preparano riscaldando all’ebollizione una soluzione acquosa basica con un grasso animale o un olio vegetale per idrolizzare i legami
esterei.
Molecola di un lipide
base coniugata
dell’acido palmitico
base coniugata
dell’acido linoleico
base coniugata
dell’acido oleico
Glicerolo Saponi
O
OO
OO
O
residuo di acido linoleico
residuo di acido palmitico
residuo di acido oleico
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5.4 Terpeni
5.0 Sostanze Naturali
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5.4 Terpeni Costituiscono probabilmente la classe più grande e più diversificata di prodotti naturali.
− La maggioranza di questi composti si trova solo nelle piante; alcuni dei terpeni più grandi e più complessi (es. squalene e lanosterolo) si
trovano negli animali.
− Poiché contengono la maggior parte dei gruppi funzionali noti, sono meglio classificati in base al numero dei carboni e alla loro struttura.
− I terpeni possono essere considerati come composti da unità di isoprene (più precisamente isopentano), una regola empirica conosciuta come la
regola dell'isoprene. Per questo motivo, i terpeni solitamente hanno (5C)n unità carboniose (n è un numero intero) e sono suddivisi nel modo
seguente:
− L’isoprene (2-metilbuta-1,3-diene) C5H8, l’unità di base dei terpeni, è un idrocarburo gassoso liposolubile; in natura è emesso dalle foglie di
diverse piante come prodotto secondario del loro metabolismo. Dopo il metano è il più comune composto organico volatile (VOC – volatile
organic compound) presente nell’atmosfera.
Classificazione Unità isopreniche N° di atomi di Carbonio
monoterpeni 2 C10
sesquiterpeni 3 C15
diterpeni 4 C20
sesterterpeni 5 C25
triterpeni 6 C30
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5.4 Terpeni Esempi di monoterpeni (5C)2 = C10
− Nella maggior parte dei terpeni le unità isopreniche sono facilmente identificabili, come evidenziato nella figura dai riquadri colorati.
− Nel caso della canfora le unità isopreniche si sovrappongono in modo tale che è più facile distinguerle colorando le singole catene carboniose, così
come avviene anche per l'alfa-pinene.
Isoprene
Mircene
OH
Geraniolo
O
Carvone
O OH
Acido crisantemico
O
O
Nepetalattone Mentofurano -Pinene Canfora
O O
Mircene
OH
Geraniolo
O
Carvone Acido crisantemico
O
O
Nepetalattone Mentofurano -Pinene Canfora
O O
O OH
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5.4 Terpeni Esempi di sesquiterpeni (5C)3 = C15
OH
Farnesolo Umulene
Ngaione Cariofillene
O
O O
OH
Farnesolo Umulene
Ngaione Cariofillene
O
O O
Isoprene
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5.4 Terpeni Esempi di diterpeni e triterpeni (5C)4 = C20 e (5C)6 = C30
− Il triterpene lanosterolo è un’eccezione alla regola dell'isoprene. E’ un composto di 30 atomi di carbonio in cui si possono identificare sei unità
di isopentano. Tuttavia, dieci atomi di carbonio della parte centrale della molecola non possono essere assegnati secondo la regola. I due
gruppi metilici cerchiati in rosso e blu sono spostati dalle posizioni che assumerebbero nelle unità isoprenoidi originali (contrassegnate da
punti dello stesso colore sullo scheletro).
− Anche altri terpeni che non seguono rigorosamente la regola dell'isoprene presentano riarrangiamenti simili di gruppi alchilici.
Acido abietico Lanosterolo
Squalene
HOHHOOC
H
H
Acido abietico Lanosterolo
Squalene
HOH
H
H
O
OH
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5.4 Terpeni Esempi di diterpeni e triterpeni
− Sono stati identificati anche idrocarburi polimerici derivati da unità isopreniche.
− La gomma naturale, o cauciù, è uno dei composti di questo tipo più noti e usati. Si ritrova in
un certo numero di piante, es. dal dente di leone (Taraxacum officinale) all’albero della
gomma (Hevea brasiliensis), come sospensione colloidale detta lattice.
− La gomma naturale è un polimero polienico, o polisoprenico, in cui tutti i doppi legami
hanno configurazione Z e presentano la reattività tipica dei doppi legami C=C.
− L’addizione di Br2, Cl2 e H2 avviene con un rapporto stechiometrico di una mole di
reattivo per ogni unità isoprenica.
− L’ozonolisi produce una miscela di acido levulinico CH3C(=O)CH2CH2C(=O)OH e
dell’aldeide corrispondente.
− La pirolisi, scissione dei legami causata dal calore, produce isoprene e una miscela di
altri prodotti.
− La gutta-percha, o guttapercha o guttaperca, come la gomma naturale, è un polimero
polienico di origine vegetale (alberi di Isonandra Gutta o Palaquium gutta) in cui tutti i doppi
legami hanno configurazione E.Estrazione del lattice da un alberotropicale. (Wikipedia)
Gutta-percha
Gomma naturale
Z Z Z Z Z Z Z
EEE E E E
Isoprene
Pirolisi
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R = Coenzima A
(CoA)
Gruppi C=Oenantiotopici
OPP
Geranil pirofosfato
OPP
H H
OPP
O
RS
O
O
RS
O
O-
H2O
- CO2
- RSH
O
RS
O
OH
OH[H]
OH
O
OH
OH
Acido R-(-)-mevalonico
PPO
O
O-
O
P
O
O-
OH
Mevalonato-5-pirofosfato
3 ATP
- HPO4=
- CO2
PPO PPO
Isopentenilpirofosfato
Dimetilallilpirofosfato
PO OH
O
O-
P
O
O-
PPO =
Pirofosfato
5.4 Terpeni Biosintesi dei terpeni
− Le catene ramificate e le strutture cicliche dei terpeni e degli steroidi sono costruite mediante reazioni di alchilazione sequenziali delle unità insature diisopentenil pirofosfato, composto, a 5 atomi di carbonio.
La biosintesi (via del’acido mevalonico), catalizzata da enzimi specifici, avviene attraverso i seguenti passaggi che prevedono la formazione diderivati del pirofosfato:
1) addizione aldolica di un malonato a un substrato di acetoacetato;
2) l’idrolisi del tioestere e la riduzione selettiva del risultante gruppo carbossilico portano alla formazione dell’intermedio chiave acido R-(-)-mevalonico;
3) la fosforilazione dell'acido mevalonico a mevalonato-5-pirofosfato e la successiva eliminazione di bifosfato e CO2 general’isopentenil pirofosfato, che è in equilibrio con il suo isomero dimetillallil pirofosfato;
4) Il dimetilallil pirofosfato è alchilato per reazione con l’isopentenil pirofosfato portando alla condensazione di due unità a 5 atomi dicarbonio, producendo il geranil pirofosfato. Questa reazione è alla base della regola empirica dell’isoprene.
3-idrossi-3-metilglutaril-CoA
(sintesi inibita dalle statine negli animali)
(1) (2) (3)
(4)
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5.4 Terpeni Biosintesi dei terpeni
− Terpeni ciclici
Geranil pirofosfato
OPP
H H
OPP
OPP
O OH
Acido crisantemico
-Pinene Canfora
O
Legami testa-coda
codatesta
C+
CH+C
+
OPP
Legami non testa-coda
PPO
C+
OPP
H
H
OH
- H+
- PP
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5.4 Terpeni Biosintesi dei terpeni
− Biosintesi del lanosterolo
Lanosterolo
Squalene ossido
HOH
O
C+
OH
H+
C+
OH
CH+
OH
C+
OH
HH
H
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5.4 Terpeni Via biosintetica alternativa dei terpeni
− Per molti anni la via dell’acido mevalonico verso l’isopentenil pirofosfato è stata considerata una via biosintetica esclusiva.
− Più di recente, è stata identificata una via alternativa che parte dall’acido piruvico (acido 2-ossopropanoico) e dalla gliceraldeide-3-fosfato.
Marcando selettivamente alcuni atomi di carbonio (in rosso) è stato possibile distinguere facilmente le due vie. La nuova via del DXP (1-
deossixilulosio-5-fosfato) è molto diffusa per la sintesi dei terpenei nei microrganismi e nei cloroplasti.
− Il riarrangiamento del 2-metileritritol-4-fosfato è una trasformazione straordinaria.
Acetoacetil-CoA
CH3
O
SCoA
CH2
O
SCH3
O
CoACH2OH CH2
O
OH
OHCH3
Acido R-(-)-mevalonico
ATP
- CO2 CH2CH2
CH3
OPP
Isopentenilpirofosfato
Acetil-CoA
1)
2) NADPH
CH3
O
SCoA
1-deossixilulosio-5-fosfato (DXP)
CH3
O
SCoA
2-metileritritol-4-fosfato
CH2
CH2
CH3
OPP
Acido piruvico
Riarrangiamento riduttivo
CH2
OH
OP
H
O
Gliceraldeide-3-fosfato
+- CO
2 NADPH
CH3
O CH2
OH
OP
OH
OH CH2
OH
OP
OHCH3
Isopentenilpirofosfato
P = fosfatoPP = pirofosfato
Via dell’acido
mevalonico
Via del
DXP
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5.5 Amminoacidi e Proteine
5.0 Sostanze Naturali
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5.5 Amminoacidi e Proteine Convenzione di Fisher o D,L
− Secondo questa convenzione i vari composti si dicono D o L a seconda che siano correlati alla D o alla L-gliceraldeide.
L
D-(+)-gliceraldeide L-(-)-gliceraldeide
CHO
OH
OHH2C
H
CHO
H
OHH2C
OH
CHO
H
OHH2C
OH
CHO
OH
OHH2C
H
L-(+)-alanina
Amminoacidi della serie Lcomponenti delle proteine
COOH
NH2
R
H
COOH
NH2
R
H
COOH
NH2
CH3
H
COOH
NH2
CH3
HNH2
CH3
OOH
H
S
formula generale di un a.a.
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5.5 Amminoacidi e Proteine Amminoacidi della serie L componenti delle proteine
− Gruppo R non polare o idrofobico
Glicina (Gly/G) Alanina (Ala/A) Valina (Val/V) Leucina (Leu/L)
Prolina (Pro/P) Fenilanina (Phe/F) Triptofano (Trp/W) Metionina (Met/M)
COOH
NH2
H
H
COOH
NH2 H
COOH
NH2 H
COOH
NH2 H
COOH
NH2 H
COOH
NH
H
COOH
NH2 H
NH
COOH
NH2 H
S
COOH
NH2 H
Isoleucina (Ile/I)
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5.5 Amminoacidi e Proteine Amminoacidi della serie L codificati nelle proteine
− Gruppo R polare
COOH
NH2 H
NH2 O
COOH
NH2 H
OH
Serina (Ser/S) Treonina (Thr/T) Cisteina (Cys/C)
Tirosina (Tyr/Y) Asparagina (Asn/N)Glutammina (Gln/Q)
COOH
NH2
CH2OH
H
COOH
NH2 H
OH
CH3H
COOH
NH2 H
SH
COOH
NH2 H
NH2
O
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5.5 Amminoacidi e Proteine
Acido aspartico (Asp/D) Acido glutammico (Glu/E)
Lisina (Lys/K) Arginina (Arg/R) Istidina (His/H)
a pH 6
Amminoacidi della serie L codificati nelle proteine
− Gruppo R polare carico negativamente a pH 6-7
− Gruppo R polare carico positivamente
COOH
NH2 H
NH2
COOH
NH2 H
NH
NH2 NH
COOH
NH2 H
HOOC
COOH
NH2 H
HOOC
COOH
NH2 H
N
NH
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5.5 Amminoacidi e Proteine■ Caratteristiche strutturali dei 20 a.a. delle proteine
− Sono tutti a-ammino acidi
− Per 19 dei 20 a.a., l’ a-ammino gruppo è primario, mentre nella la prolina è secondario
− Ad eccezione della glicina, il carbonio a- di ogni a.a. è uno stereocentro della serie L (S)
− L’isoleucina e la treonina hanno un secondo stereocentero e possono avere 22=4 stereoisomeri; gli a.a. naturali hanno,rispettivamente, (2S,3S)-isoleucina e (2S,3R)-treonina.
− Il gruppo solfidrilico – SH (pKa 8.3) della cisteina, il gruppo imidazolico (pKa 6.0) dell’istidina e l’ossidrile fenolico(pKa 10.1) della tirosina sono parzialmente ionizzati a pH 7.0, ma la forma ionica non è quella predominante a questo pH.
COOH
NH2 H
Isoleucina (Ile/I) Treonina (Thr/T)
COOH
NH2 H
OHH
Cisteina (Cys/C)
COOH
NH2 H
SH
Istidina (His/H)
COOH
NH2 H
N
NH
COOH
NH2 H
OH
Tirosina (Tyr/Y)
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5.5 Amminoacidi e Proteine■ Equilibrio di ionizzazione degli amminoacidi
forma amfiionica forma anionicaforma cationica
COOH
CNH2
R
H
COOH
CNH3+
R
H
Ka2
C
CNH2
R
H
O-
O
Ka1
C
CNH3+
R
H
O-
O
▪forma
▪zwitterionica
▪forma
▪cationica
▪forma
▪anionica
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5.5 Amminoacidi e Proteine■ Equilibrio di ionizzazione degli amminoacidi
+H3N COOHpKa = 2.34
+H3N COO- H2N COO-
pKa = 9.69
+1 charge 0 charge -1 charge
Isoelectric zwitterion
+H3N COOH
+2 charge
N
NH
H
pKa = 1.82
+H3N COO-
+1 charge
N
NH
H
pKa = 6.04
+H3N COO-
0 charge
N
NH
pKa = 9.17H2N COO-
-1 charge
N
NH
Isoelectric zwitterion
+ +
▪zwitterione isoelettrico
▪carica -1▪carica 0▪carica +1+H3N COOHpKa = 2.34
+H3N COO- H2N COO-
pKa = 9.69
+1 charge 0 charge -1 charge
Isoelectric zwitterion
+H3N COOH
+2 charge
N
NH
H
pKa = 1.82
+H3N COO-
+1 charge
N
NH
H
pKa = 6.04
+H3N COO-
0 charge
N
NH
pKa = 9.17H2N COO-
-1 charge
N
NH
Isoelectric zwitterion
+ +
▪carica +1▪carica +2
▪carica 0 ▪carica -1
▪zwitterione isoelettrico
▪Alanina
▪Istidina
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5.5 Amminoacidi e Proteine
pH
Equivalenti di OH-
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
2,01,51,00,5
+NH3CHRCOOH
NH2CHRCOO-
+NH3CHRCOO-
+NH3CHRCOOH+NH3CHRCOO-
pKa1
pHi
+NH3CHRCOOH
NH2CHRCOO-
pKa2
AmminoacidipKa1
a-COOH
pKa2
a-NH3+
pKR
gruppo R
Glicina 2.34 9.6
Alanina 2.34 9.69
Leucina 2.36 9.60
Serina 2.21 9.15
Treonina 2.63 10.43
Glutamina 2.17 9.13
Acido aspartico 2.09 9.82 3.86
Acido
glutammico2.19 9.67 4.25
Istidina 1.82 9.17 6.0
Cisteina 1.71 10.78 8.33
Tirosina 2.20 9.11 10.07
Lisina 2.18 8.95 10.53
Arginina 2.17 9.04 12.48
pKa CH3COOH = 4,76; pKa CH3NH3+ = 10,61
▪ Curva di titolazione di un amminoacido
equazione di Henderson-Hasselbalch
-Alog
AH
pH pKa
pKa1 pKa2 pKR
a-COOH a-NH3+ gruppo R
Arginina 2,01 9,04 12,48 10,76
Lisina 2,18 8,95 10,53 9,74
Istidina 1,77 9,18 6,10 7,64
Treonina 2,63 10,43 6,53
Prolina 1,99 10,60 6,30
Alanina 2,34 9,69 6,02
Leucina 2,36 9,60 6,02
Isoleucina 2,36 9,68 6,02
Glicina 2,34 9,60 5,97
Valina 2,32 9,62 5,97
Triptofano 2,38 9,39 5,89
Metionina 2,28 9,21 5,74
Serina 2,21 9,15 5,68
Glutamina 2,17 9,13 5,65
Tirosina 2,20 9,11 10,07 5,65
Fenilalanina 1,83 9,13 5,48
Asparagina 2,02 8,80 5,41
Cisteina 2,05 10,25 8,00 5,02
Acido glutammico 2,10 9,47 4,07 3,08
Acido aspartico 2,10 9,82 3,86 2,98
Amminoacidi pHi
■ Valori di pK per i gruppi ionizzabili degli amminoacidi (a 25° C)
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5.5 Amminoacidi e Proteine■ Titolazione dell’istidina con NaOH
pH
Equivalenti di OH-
2
4
6
8
10
12
14
04,03,02,01,00
pHi = 7,64
pK2 = 9,18
pKR = 6,1
pK1 = 1,77
O
NH3
+
N
NH
O-
O
NH3
+
NH
+
NH
OH
O
NH3
+
NH
+
NH
O-
Amminoacido pKa1 a-COOH pKa2 a-NH3+ pKR gruppo R
Istidina 1.77 9.18 6.1
O
NH2
N
NH
O-
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5.5 Amminoacidi e Proteine■ Acidità dei gruppi a-COOH
− Il valore medio di pKa dei gruppi a-carbossilici degli a.a. è 2.19 e ciò li rende acidi molto piu’ forti dell’acido acetico (pKa
4.76).
− La maggiore acidità del gruppo carbossilico degli aminoacidi è dovuto all’effetto induttivo elettron-attrattore (–I) del
gruppo ammonico –NH3+ che stabilizza la base coniugata –COO-.
The ammonium ion has anelectron-withdrawing inductive effect
+pKa = 2.19
NH3+
NH3+
RCHCOO-
RCHCOOH H3 O+
H2 O+
Il gruppo ammonico ha uneffetto elettron-attrattore -I
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5.5 Amminoacidi e Proteine■ Acidità dei gruppi a-NH3
+
− Il valore medio di pKa dei gruppi a-ammonici degli a.a. è 9,47, che è piu’ piccolo del valore di pKa 10,76 di uno ione
alchilammonico secondario.
− La maggiore acidità del gruppo ammonico degli aminoacidi è dovuto all’effetto induttivo elettron-attrattore (– I) del
gruppo carbossilato, che stabilizza la base coniugata –NH2:.
+pKa = 9.47
NH3+ NH2
RCHCOO-
RCHCOO-
+ H2 O H3 O+
pKa = 10.76
NH3+
NH2
CH3 CHCH3 CH3 CHCH3 + H3 O+
+ H2 O
Il gruppo carbossilato –COO- ha un
effetto elettron-attrattore - I
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5.5 Amminoacidi e Proteine■ Basicità del gruppo guanidinico
− La catena laterale dell’arginina contiene un gruppo basico notevolmente piu’ forte di un’ammina alifatica.
− La maggiore basicità del gruppo guanidinico è dovuta all’effetto di maggiore stabilizzazione per risonanza dell’acido
coniugato (gruppo guanidinico protonato) rispetto alla la base coniugata neutra (gruppo guanidinico non protonato).
Stabilizzazione per risonanza del
gruppo guanidinico protonato
+
pKa = 12.48
C
NH2+
CRNH
NH2+
NH2
NH2
RNH CRNH
NH2
NH2
CRN
NH2
NH2
+ H3 O+
H2 O :
:
:
::
:
:
:
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5.5 Amminoacidi e Proteine■ Basicità del gruppo imidazolico
− Il gruppo imidazolico della catena laterale dell’istidina è un’ammina aromatica etrociclica.
− La basicità è dovuta al doppietto elettronico libero dell’atomo di azoto in posizione 3 dell’anello, situato in un orbitale
sp2, che non può essere delocalizzato nell’anello aromatico.
+
this lone pair is not a part of thearomatic sextet; it isthe proton acceptor
pKa 6.04
N
H
NH3+
N
H
CH2 CHCOO-
NH3+
N
H
CH2 CHCOO-
N
+ H3 O+
H2 O
N
N
H
H +
CH2 CHCOO-
NH3+
:
:
::
Questo doppietto elettronico
libero (sp2) non può essere
delocalizzato nell’anello
aromatico
+
this lone pair is not a part of thearomatic sextet; it isthe proton acceptor
pKa 6.04
N
H
NH3+
N
H
CH2 CHCOO-
NH3+
N
H
CH2 CHCOO-
N
+ H3 O+
H2 O
N
N
H
H +
CH2 CHCOO-
NH3+
:
:
::
1
2
3 4
5
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5.5 Amminoacidi e Proteine■ Ionizzazione degli a.a. in funzione del pH
− Dato il valore di pKa di ogni gruppo funzionale (carbossilico, ammonico o catena laterale) presente in un a.a., è possibile
calcolare il rapporto tra la forma protonata e la relativa base coniugata in funzione del pH.
− Ionizzazione del gruppo a-COOH
− Scrivendo la Ka dell’equilibrio precedente e riarrangiando i suoi termini si ha:
[a-COO H]
[a-COO -]Ka =
[ H3O+ ]=
Ka
[a-COO H]
[a-COO -]
[ H3O+ ]or
pKa = 2.00
aCOO-
aCOOH + H3 O++ H2 O
[a-COO H]
[a-COO -]Ka =
[ H3O+ ]=
Ka
[a-COO H]
[a-COO -]
[ H3O+ ]or
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5.5 Amminoacidi e Proteine■ Ionizzazione del gruppo a-COOH
− Sostituendo il valore della Ka (1 x 10-2) e della concentrazione di [H3O+] a pH 7 (1.0 x 10-7) si ha:
− Il valore di 1 x 105 indica che, a pH 7, la [a-COO-] è 100.000 volte piu’ grande della forma non dissociata [a-COOH] e che
il gruppo a-carbossilico è praticamente dissociato al 100% e possiede una carica netta -1.
− Ripetendo il calcolo a valori diversi di pH è possibile determinare il rapporto [a-COO-]/[a-COOH] e la carica netta del
gruppo a-carbossilico ad ogni valore di pH.
=Ka
[a-COO H]
[a-COO -]
[ H3O+ ]= 1.00 x 105
1.00 x 10-7
1.00 x 10-2
=
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5.5 Amminoacidi e Proteine■ Ionizzazione del gruppo a-NH3
+
− Allo stesso modo è possibile calcolare il rapporto [a-NH2]/[a-NH3+] assumendo per il seguente equilibrio un valore della pKa
uguale a 10.
− Riarrangiando i termini della costante di equilibrio Ka si ha:
+pK a = 10.00
aNH2aNH3+
H3 O++ H2 O
[a-NH 2 ]
[a-NH 3+ ]
Ka=[H 3 O+ ]
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5.5 Amminoacidi e Proteine■ Ionizzazione del gruppo a-NH3
+
− Sostituendo il valore della Ka (1 x 10-10) e della concentrazione di [H3O+] a pH 7 (1.0 x 10-7) si ha:
− A pH7 il rapporto [a-NH2]/[a-NH3+] è di circa 1 a 1000.
− Il gruppo a-amminico si trova al 99,9% nella forma protonata e ha una carica netta +1.
[a-NH 2 ]
[a-NH 3+ ]
Ka=[H 3 O+ ]
=1.00 x 10-10
1.00 x 10-7= 1.00 x 10-3
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5.5 Amminoacidi e Proteine■ Equazione di Henderson-Hasselbalch
− Permette di calcolare il rapporto [base coniugata]/[acido debole] dei gruppi funzionali degli a.a. a qualsiasi valore di pH:
− Permette di determinare, ad ogni valore di pH, le % delle forme cariche e non cariche dei diversi gruppi funzionali e la
carica netta di un a.a..
− Esempio: forme della serina a pH 3, 7 e 10.
-Alog
AH
pH pKa
+ +
pH 3.0 pH 7.0 pH 10.0
Net charge +1 Net charge 0 Net charge -1
100% 86% 99% 100% 88% 100%
CH2 OH CH2 OH CH2 OH
H3 N- CH-C- OH H3 N- CH-C- O-
H2 N- CH-C- O-
O O O
▪carica -1▪carica 0▪carica +1
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5.5 Amminoacidi e Proteine■ Punto isoelettrico
− Ogni amminoacido mostra un caratteristico punto isoelettrico, definito come il valore di pH al quale le dissociazioni acida
e basica sono uguali e, quindi, la molecola non presenta una carica netta.
− Il pH del punto isoelettrico (pHi) è uguale a:
− Per esempio, per la glicina (H2N-CH2-COOH) il pHi si può determinare utilizzando i valori noti di pKa: pKa1 a-COOH 2.34, pKa2
a-NH3+ 9.6
− Nel caso degli a.a. che presentano nella catena laterale R un gruppo che può ionizzarsi a sua volta, il pHi è dato dalla
somma/2 dei pKa dei gruppi funzionali simili o che presentano valori di pKa piu’ vicini.
−
− Esempi:
pHi acido aspartico = (pKa a-COOH 2,10 + pKa gruppo R 3,86)/2 = 2,98
pHi lisina = (pKa a-NH3+ 9.04 + pKa gruppo R 10,53)/2 = 9,76
pHi = ½ (2.34 + 9.6) = 5,97
1
i2pH
Ka pKap
2
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5.5 Amminoacidi e Proteine■ pKa e punti isoelettrici degli a.a. delle proteine in ordine di pHi decrescente
pKa1 pKa2 pKR
a -COOH a -NH3+ gruppo R
Arginina 2,01 9,04 12,48 10,76
Lisina 2,18 8,95 10,53 9,74
Istidina 1,77 9,18 6,10 7,64
Treonina 2,63 10,43 6,53
Prolina 1,99 10,60 6,30
Alanina 2,34 9,69 6,02
Leucina 2,36 9,60 6,02
Isoleucina 2,36 9,68 6,02
Glicina 2,34 9,60 5,97
Valina 2,32 9,62 5,97
Triptofano 2,38 9,39 5,89
Metionina 2,28 9,21 5,74
Serina 2,21 9,15 5,68
Glutamina 2,17 9,13 5,65
Tirosina 2,20 9,11 10,07 5,65
Fenilalanina 1,83 9,13 5,48
Asparagina 2,02 8,80 5,41
Cisteina 2,05 10,25 8,00 5,02
Acido glutammico 2,10 9,47 4,07 3,08
Acido aspartico 2,10 9,82 3,86 2,98
Amminoacidi pH i
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5.5 Amminoacidi e Proteine
7
6
5
4
3
2
1
0
P.I.
(pH) 14
13
12
11
10
9
8
7
Arg
Lys
His
Pro
Thr
Ile
Ala
Leu
Gly
Val
Trp
Met
Ser
Gln
Phe
Asn
P.I.
(pH)
Glu
Asp
Tyr
Cys
■ Punti isoelettrici degli a.a. delle proteine
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5.5 Amminoacidi e Proteine■ Elettroforesi
− E’ un processo che permette di separare i composti in base alla
loro carica elettrica.
− L’elettroforesi degli a.a. può essere effettuata utilizzando diversi
supporti solidi: carta, amido, agar, alcune sostanze plastiche o
acetato di cellulosa.
− Nell’elettroforesi su gel di agar viene utilizzata, come ponte posto
tra due elettrodi saldati ad una vaschetta di vetro, una striscia di gel
immmerso in una soluzione acquosa tampone con un pH
predefinito.
Apparecchio per gel elettroforesi
Nella vaschetta riempita con la soluzione
tampone è situato un gel di agar al quale
viene applicato un campo elettrico con
l’apparato posto nella parte posteriore. Il
polo negativo corrisponde al morsetto di
colore nero. (tratto da wikipedia)
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5.5 Amminoacidi e Proteine
Esempio di separazione per gel elettroforesi.
(tratto da wikipedia)
■ Procedura per una separazione mediante elettroforesi
1. un campione di aminoacidi è applicato, come macchia delimitata,
sulla linea di partenza segnato su uno dei bordi del supporto solido;
2. si applica un potenziale elettrico agli elettrodi della vaschetta,
causando così la migrazione degli a.a. verso gli elettrodi con
carica opposta alla propria carica netta;
3. le molecole con una piu’ alta densità di carica si muovono piu’
velocemente di quelle con una bassa densità di carica;
4. le molecole che si trovano al loro pHi (punto isoelettrico) restano
ferme all’origine;
5. dopo la completa separazione, la striscia di supporto è
asciugata e sviluppata in modo da evidenziare gli a.a. separati.
6. I singoli a.a. sono identificati per la distanza percorsa dalla linea di
base, caratteristica per ogni singolo a.a. alle specifiche condizioni
sperimentali
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5.5 Amminoacidi e Proteine
Contributo delle due forme canoniche
all’ibrido di risonanza
50% 50%
Misure ottenute per diffrazione
dei raggi X del legame
ammidico di una proteina
− Ammidi monosostituite: stereochimica
Il gruppo ammidico è sia un buon accettore che un buon
donatore di legami idrogeno
cis trans
N
O
N+
O-..
N
O
R H
R1
N
O
R R1
H..
tratto da Biochemistry - Albert L. Leiningher
Legame ammidico (o peptidico)
− Risonanza nel legame ammidico
− Il legame ammidico ha un’energia di 100 Kcal/mole e non può essere scisso
per semplice riscaldamento all’ebollizione di una soluzione acquosa, ma per
reazione prolungata con acidi o basi concentrate.
− Gli enzimi proteolitici hanno la funzione specifica di rompere tali legami.
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5.5 Amminoacidi e Proteine
− Struttura primaria – sequenza degli amminoacidi
− Polimeri di a.a.. Il termine peptide si usa per i polimeri più corti,
mentre il termine proteina è normalmente riservato ai polimeri naturali
che contengono un numero relativamente alto di a.a. e hanno masse
molecolari di poche miglia di unità o superiori.
− Struttura secondaria
− a-elica: la catena polipeptidicaassume una forma elicoidale cheruota in senso orario, stabilizzatadai legami-H tra il gruppo NH di unresiduo di a.a. e l’O carbonilico del4° a.a. successivo. In ogni girodell’elica ci sono 3,6 residui di a.a..
− foglietto-b: La conformazione azig-zag lineare di una catenapeptidica è stabilizzata dai legami-H tra catene parallele adiacentidello stesso tipo.
■ Legame ammidico (o peptidico): struttura dei peptidi e delle proteine
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5.5 Amminoacidi e Proteine
- Struttura terziaria – forma che assume la proteina per ripiegamento
su se stessa (in rosso le a-eliche e in cyan i foglietti-b).
Esempio: Tubulina
− Struttura quaternaria – aggregazione tra subunità proteiche diverse.
monomero dimero
Legame ammidico (o peptidico): struttura e funzioni delle proteine
- La tubulina è una proteina globulare che si forma durante la mitosi
cellulare e gioca un ruolo importantissimo nel ciclo vitale della cellula in
quanto da origine, a seguito di un processo di polimerizzazione-
depolimerizzazione, ai microtubuli del fuso mitotico.
- I monomeri α e β hanno una struttura costituita da due foglietti beta
circondati da α eliche.
− La tubulina è una proteina globulare eterodimera flessibile, costituita
dalle subunità α e β, alle quali sono legate rispettivamente una
molecola di guanosintrifosfato GTP e una di guanosindifosfato
GDP.
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5.5 Amminoacidi e Proteine Legame ammidico (o peptidico): struttura e funzioni delle proteine
Esempio: Tubulina
- I microtubuli sono cilindri proteici cavi, lunghi alcuni µm con diametro
esterno di circa 25 nm; sono componenti essenziali del citoscheletro e
giocano un ruolo essenziale nelle diverse funzioni cellulari quali la
motilità, il supporto strutturale, la divisione cellulare.
- Le subunità α e β sono presenti nel microtubulo in quantità equimolare
e, pertanto, i microtubuli possono essere considerati come strutture
formate da 13 file di subunità alternate di α e β tubulina. Associazioni
parallele di tali strutture, costituiscono le pareti dei microtubuli e danno
origine a un polimero polare.
- I microtubuli sono caratterizzati da una complessa dinamica di
polimerizzazione-depolimerizzazione che utilizza l’energia fornita
dall’idrolisi del GTP a GDP.
- Le molecole che interagiscono con la tubulina o con i microtubuli, sono
capaci di arrestare la progressione del ciclo cellulare in fase M e,
pertanto, possono essere utilizzate per arrestare la proliferazione
cellulare.
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5.5 Amminoacidi e Proteine
Esempio: Tubulina
- I composti in grado di arrestare la progressione del ciclo cellulare,
chiamati inibitori della tubulina, si legano con modalità diverse alla
stessa prevenendo la formazione dei microtubuli, destabilizzandoli o
stabilizzandoli una volta formati.
- Questi inibitori, tutti di origine vegetale, si dividono in tre classi:
1. alcaloidi della Vinca che inibiscono la stabilizzazione dei
microtubuli;
2. (-)-Colchicina e derivati e Podofillotossina, e derivati, che si
legano a un sito specifico diverso e sono in grado di inibire
l'accoppiamento delle due subunità impedendo la
stabilizzazione dei microtubuli;
3. Tassolo e derivati, che stabilizzano i microtubuli e iniscono la
loro depolimerizzazione.
- In figura sono mostrati i siti di legame degli alcaloidi della Vinca e
del Tassolo e derivati, che si trovano sulla subunità β della tubulina,
ma sono differenti tra di loro. La Colchicina e la Podofillotossina si
legano, invece, a uno stesso sito posto all’interfaccia tra le subunità
α e β.
Legame ammidico (o peptidico): struttura e funzioni delle proteine
a-tubulina
Sito di legame della
Colchicina
Sito di legame della
Vinca
Inibitori della
polimerizzazione
Inibitori della
depolimerizzazioneb-tubulina
Sito di legame del
Tassolo
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Sito di legame degli alcaloidi della Vinca sp.
Vinblastina
5.5 Amminoacidi e Proteine
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Inibitori della Tubulina: vinblastina
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Sito di legame della Colchicina
Colchicum Autumnale
5.5 Amminoacidi e Proteine Inibitori della Tubulina: colchicina
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Sito di legame del Tassolo
Taxus brevifolia
5.5 Amminoacidi e Proteine Inibitori della Tubulina: tassolo
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R C
NH2
N
OH2
+H Cl-
Cl-
Cl-
Amminonitrile
R C
NH2
N+
H
OH2
R C
NH2
NH
OH2
+
OH2
R C
NH2
NH2
OH
OH2
+
R C
NH2
NH3
+
OH
OH
trasferimento
di H+
- NH3
Cl-
R C
NH2
OH+
OH
- H+
R C
NH2
O
OHamminoacido
racemico
trasferimento
di H+
Cl-
R C
NH2
NH2
+
OH
Cl-
Cl-
R C
NH3
+
O
O-
- NH4+
Seconda parte
5.5 Amminoacidi e Proteine
− Sintesi di Strecker− La sintesi degli amminoacidi ideata da Adolph Strecker (1822-1871), è una
serie di reazioni che permettono di sintetizzare un amminoacido a partire da unaldeide o da un chetone. L'aldeide è condensata con cloruro di ammonio inpresenza di cianuro di potassio per formare un α-aminonitrile, chesuccessivamente è idrolizzato in ambiente acido per dare l'amminoacidodesiderato in forma racemica.
− Nella sintesi originale di Strecker la reazione era fatta tra acetaldeide,ammoniaca e acido cianidrico per ottenere, dopo idrolisi del nitrile, l’alaninaracemica.
− Prima parte della reazione: il gruppo carbonilico dell’aldeide, protonatoall’ossigeno, subisce l’attacco nucleofilico al carbonio carbonilico del :NH3.Dopo scambio protonico tra il -NH3
+ e l’-OH, si ha la perdita di H2O per formareuno ione immonio intermedio. Il nucleofilo ione cianuro attacca il carbonioimmonico producendo un aminonitrile.
− Seconda parte della reazione: il nitrile protonato viene idrolizzato portandoalla formazione dell’amminoacido racemico.
Sintesi degli amminoacidi in laboratorio
R H
O
R C
NH2
NR C
NH2
O
OH
K+CN-
NH4+Cl-
H+
R H
O+ H
trasferimento
di H+
K+ :NC:-
R C
NH2
N
Cl-NH3
+H
R H
O Cl-NH3
+H
Cl-
NH3
R NH3
+
OH
Cl-
R NH2
O+ HH
Cl-
OH2
R NH2
+
K+ Cl-
Amminonitrile
Prima parte
Ione immonio
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5.5 Amminoacidi e Proteine
− La sintesi di un peptide richiede l’acilazione selettiva di un gruppo
amminico libero di un a.a..
− E’ necessario prima disattivare tutte le funzioni amminiche estranee che
possono competere per il reagente di acilazione; quindi, si attiva
selettivamente la funzione carbossilica desiderata per acilare l’ammina
libera rimanente.
1. l'acilazione del gruppo amminico viene fatta per trattamento dell’a.a. con
cloruro acilico o con anidride a pH > 10;
2. si protegge il gruppo carbossilico di un secondo a.a. mediante
esterificazione di Fisher;
3. per formare il legame ammidico si usa, in condizioni relativamente blande,
la N,N’-dicicloesilcarbodiimmide (DCC) che causa la disidratazione del
gruppo carbossilico libero di un a.a. e del gruppo amminico libero
dell’altro a.a.
− Per l’allungamento della catena polimerica è necessario deproteggere il
gruppo –NH terminale o il gruppo –COOH terminale.
N.B. La rimozione del gruppo protettivo dall’NH, cioè la scissione di un legame
ammidico, può causare la scissione anche dei legami ammidici appena formati,
pertanto è necessario utilizzare gruppi protettivi che possono essere rimossi
facilmente:
es.: benzilossicarbonil Cbz (C6H5CH2OC(=O)-) rimosso con H2/cat. o HBr in
CH3COOH;
t-butilossicarbonil t-BOC (t-but-OC(=O)- rimosso con CF3COOH].
Sintesi dei peptidi e delle proteine in laboratorio
CH3 C
NH
OH
O
O
R
CH3 C
NH3
+
O-
O 1) R-C(=O)LpH > 10_
2) pH < 6_
1.
CNH2O
O
CH3
CNH3
+
O-
O1) CH
3OH, H+
2) pH = 8
2.
L-Alanina N-protetta
Glicina C-protetta
DCC
3.
N
N
N,N'-dicicloesilcarbodiimmide
CH3 C
NH
O
O
R
CNHO
O
CH3
L-Alanina (Ala)
Glicina (Gly)
legame ammidico o peptidico
rimozione dei gruppi protettivi
CH3 C
NH3
+
O
CNHO
-
O
dipeptide Ala-Gly
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5.6 Basi azotate e Acidi nucleici
5.0 Sostanze Naturali
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5.6 Basi azotate e Acidi nucleici■ Basi azotate di DNA ed RNA
− Le basi azotate nucleiche sono composti biologici che, legate a uno zucchero, formano i nucleosidi — ovvero i blocchi predefiniti che uniti in
sequenza, mediante ponti di unità fosfato, formano i filamenti di acido desossiribonucleico (DNA) e l'acido ribonucleico (RNA).
− In genetica sono spesso semplicemente chiamate basi, che hanno la capacità di formare coppie di basi appaiate e che si sovrappongono una
sull’altra formando le strutture elicoidali del DNA e di alcuni tipi o alcune porzioni di RNA.
− L’uso del termine base è dato da una consuetudine storica, in riferimento alle proprietà chimiche delle basi azotate nelle reazioni acido-base e
non è particolarmente importante per comprendere la maggior parte delle loro funzioni biologiche.
Basi DNA5
4
6
N3
N 1
2NH9
8
N7
NH2
5
4
6
N3
NH1
2NH9
8
N7
NH2
O
N 3
2
4
NH1
5
6
NH2
O
5
6
4
NH1
NH3
2
O
O
CH3
Adenina Guanina Citosina Timina
Basi RNA
Uracile
5
6
2
NH1
NH3
2
O
O
5
4
6
N3
N 1
2NH9
8
N7
NH2
5
4
6
N3
NH1
2
NH9
8
N7
NH2
O
N 3
2
4
NH1
5
6
NH2
O
Adenina Guanina Citosina
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5.6 Basi azotate e Acidi nucleici■ Per tautomeria si intende una particolare forma di isomeria strutturale di composti organici, che si inter convertono
rapidamente mediante una reazione chimica intramolecolare detta tautomerizzazione.
− Le molecole tra le quali esiste tautomeria sono dette tautomeri.
− La tautomerizzazione comporta il trasferimento formale di un atomo di idrogeno (un protone) in posizione a, accompagnata
dallo scambio di un legame covalente singolo con uno doppio adiacente: si parla in questo caso di tautomeria
prototropica; più rari sono i casi di tautomeria aniotropica in cui ad essere scambiato è un gruppo idrossilico.
− La tautomerizzazione avviene in soluzione e porta al raggiungimento di un equilibrio chimico tra i vari tautomeri.
− L'esatta frazione (%) di ciascun tautomero dipende da numerosi fattori quali la temperatura, il solvente e il pH (acido o
basico).
O
RH
H
H
O
R
H
H
H
a
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5.6 Basi azotate e Acidi nucleici
N
NH
NH
N
NH2
O
guanina
N
N
NH
N
NH2
adenina
N
H
NH
NH
N
NH
O
N
NH
NH
N
NH
■ Principali coppie tautomeriche
− chetone (gruppo carbonilico) / enolo - tautomeria cheto-enolica
− Per la maggior parte dei composti mono carbonilici, all'equilibrio, prevale la forma carbonilica. Per esempio, il
cicloesanone a temperatura ambiente contiene solo circa lo 0,0001% del tautomero enolico. La percentuale è
ulteriormente inferiore per acidi carbossilici, esteri e ammidi.
− La forma enolica predomina quando può essere stabilizzata per coniugazione o per formazione di legami idrogeno
intramolecolari. Nel caso del pentan-2,4-dione il tautomero enolico è circa il 76%.
− ammina / immina (presente anche nelle basi azotate guanina e adenina)
O
H
pentan-2-one
O
H
pent-1-en-2-olo
O
H
H
OH
H
0,0001%
a
cicloesanone cicloes-1-en-1-olo
O O
HH
a
OO
H
H
76%
pentan-2,4-dione (3Z)-4-idrossipent-3-en-2-one
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5.6 Basi azotate e Acidi nucleici■ Principali coppie tautomeriche
− ammide / acido immidico (es. può aver luogo durante la reazione di idrolisi del gruppo nitrile)
− lattame / lattime (analogo alla precedente, ma si verifica in composti eterociclici; possono essernesoggette le basi azotate guanina, timina e citosina)
− immina / enammina (può ad esempio avvenire nell'amminoacido istidina)
istidina
4
5 NH2NH1
2
N3
OH
O
5
4 NH2N3
2
NH
1
OH
O
acido 2-amino-3-(1H-imidazol-4-il)
propanoico
acido 2-amino-3-(1H-imidazol-5-il)
propanoico
O
NH2
OH
NH
acido etanimmidico acetammide
N
N
NH
N
NH2
OH
guanina
NH
NH
O
O
CH3
N
NH
NH2
O
timina citosina
N
NH
NH
N
NH2
O
NH
N
OH
O
CH3
N
N
NH2
OH
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5.6 Basi azotate e Acidi nucleici
■ Componenti del DNA: basi azotate, zucchero, fosfato
Basi
OH
1'
2'
O
3'
4'
5'OH
OH
Zucchero Deossiribosio P
O
OH
OH
OH Acido Fosforico
BASE AZOTATAO
OH
OH
Deossiribonucleoside
BASE AZOTATAO
O
OH
FOSFATO
Deossiribonucleotide
zucchero zucchero
5
4
6
N3
N 1
2NH9
8
N7
NH2
5
4
6
N3
NH1
2
NH9
8
N7
NH2
O
N 3
2
4
NH1
5
6
NH2
O
5
6
4
NH1
NH3
2
O
O
CH3
Adenina Guanina Citosina Timina
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5.6 Basi azotate e Acidi nucleici■ DNA: Deossiribonucleotidi
N9
1'
2'
O
3'
4'
5'O
OH
OH
OH
O
P
5
4
6
N3
N1
2
8
N7
NH2
N9
1'
2'
O
3'
4'
5'O
OH
OH
OH
O
P
5
4
6
N3
NH1
28
N7
NH2
O
N1
1'
2'
O
3'
4'
5'O
OH
OH
OH
O
P
N3
2
45
6
NH2
O N1
1'
2'
O
3'
4'
5'O
OH
OH
OH
O
P
5
6
4 NH3
2
O
O
CH3
2'-deossiadenosina 5'-fosfato (A) 2'-deossiguanosina 5'-fosfato (G)
2'-deossicitidina 5'-fosfato (C) 2'-deossitimidina 5'-fosfato (T)
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5.6 Basi azotate e Acidi nucleici
■ Componenti del RNA: basi azotate, zucchero, fosfato
Basi
OH
1'
2'
O
3'
4'
5'OH
OH OH
Zucchero Ribosio P
O
OH
OH
OH Acido Fosforico
BASE AZOTATAO
OH
OH OH
Ribonucleoside
BASE AZOTATAO
O
OH
FOSFATO
OH
Ribonucleotide
zucchero zucchero
Uracile
5
6
2
NH1
NH3
2
O
O
5
4
6
N3
N 1
2NH9
8
N7
NH2
5
4
6
N3
NH1
2
NH9
8
N7
NH2
O
N 3
2
4
NH1
5
6
NH2
O
Adenina Guanina Citosina
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5.6 Basi azotate e Acidi nucleici
N9
1'
2'
O
3'
4'
5'O
OH
OH
OH
O
P
5
4
6
N3
N1
2
8
N7
NH2
OH
N9
1'
2'
O
3'
4'
5'O
OH
OH
OH
O
P
5
4
6
N3
NH1
28
N7
NH2
O
OH
N1
1'
2'
O
3'
4'
5'O
OH
OH
OH
O
P
N3
2
45
6
NH2
O
OH
N1
1'
2'
O
3'
4'
5'O
OH
OH
OH
O
P
5
6
4 NH3
2
O
O
OH
Adenosina 5'-fosfato (A) Guanosina 5'-fosfato (G)
Citidina 5'-fosfato (C) Uridina 5'-fosfato (U)
■ RNA: Ribonucleotidi
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5.6 Basi azotate e Acidi nucleici■ Struttura generale del DNA: frammento di un singolo filamento tetranucleotide
N1
1'
2'
O
3'
4'
5'O
O
OH
OH
O
P
N3
2
45
6
NH2
O
N9
1'
2'
O
3'
4'
5'O
O
OH
O
P
5
4
6
N3
N1
2
8
N7
NH2
N1
1'
2'
O
3'
4'
5'O
O
OH
O
P
5
6
4 NH3
2
O
O
CH3
N9
1'
2'
O
3'
4'
5'O
OH
OH
O
P
5
4
6
N3
NH1
28
N7
NH2
O
A
G
C
T
fosfato
zucchero base
fosfato
zucchero base
fosfato
zucchero base
termine 5’
termine 3’
fosfato
zucchero base
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5.6 Basi azotate e Acidi nucleici■ DNA: legami idrogeno tra nucleotidi nella doppia elica
N
NN
N
N
O
zucchero
H
H
H
Adenina
Guanina Citosina
Timina
N
NN
N N H
H
zucchero N
N
O
O
CH3
zucchero
H
N
N
N
O zucchero
H
H
legami idrogeno
legami idrogeno
fosfato
zucchero A
fosfato
zucchero G
fosfato
zucchero A
termine 5’
termine 3’
fosfato
zucchero G
T
C
T
termine 3’
termine 5’
C
zucchero
fosfato
zucchero
fosfato
zucchero
fosfato
zucchero
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5.6 Basi azotate e Acidi nucleici■ Doppia elica del DNA: il modello di Watson e Crick (1953)
− Rappresentazione di un giro completo
della doppia elica.
− L’elica è larga 20 Å, un giro completo
contiene 20 basi appaiate ed è lungo 34 Å.
− I due filamenti nucleotidici della doppia elica
si avvolgono in modo da formare due tipi di
cavità: una più grande di 12 Å di larghezza
e una più piccola di 6 Å di larghezza.0
20 Å
34 Å
6 Å
12 Å